نصف قطر الهيليوم. الهليوم: الخصائص والخصائص والتطبيقات

في 18 أغسطس 1868 ، اكتشف العالم الفرنسي بيير يانسن ، خلال كسوف كلي للشمس في مدينة جونتور الهندية ، الغلاف اللوني الشمسي لأول مرة. كشف التحليل الطيفي للبروز الشمسي ، جنبًا إلى جنب مع خطوط الهيدروجين الأزرق والأخضر والأزرق والحمراء ، عن خط أصفر لامع للغاية ، تم أخذه في البداية بواسطة Jansen وعلماء الفلك الآخرين الذين لاحظوا أنه خط الصوديوم D. بشكل مستقل عنه ، اكتشف عالم الفلك الإنجليزي نورمان لوكير خطًا أصفر غير معروف بطول موجي يبلغ 587.56 نانومتر في الطيف ، وصنفه على أنه D3. بعد ذلك بعامين ، توصل لوكير ، مع الكيميائي الإنجليزي إدوارد فرانكلاند ، إلى استنتاج مفاده أن هذا الخط الأصفر اللامع لا ينتمي إلى أي من العناصر الكيميائية المعروفة سابقًا واقترحوا إعطاء العنصر الجديد اسم "الهيليوم" (من اليونانية . مرحبا- "الشمس").

التواجد في الطبيعة ، الحصول على:

الهيليوم هو ثاني أكثر وفرة في الكون بعد الهيدروجين - حوالي 23٪ من حيث الكتلة. ومع ذلك ، فإن الهيليوم نادر على الأرض ، حيث يتشكل نتيجة لاضمحلال ألفا للعناصر الثقيلة. في إطار المجموعة الثامنة ، يحتل الهيليوم المرتبة الثانية من حيث المحتوى في قشرة الأرض (بعد الأرجون). تقدر احتياطيات الهليوم في الغلاف الجوي والغلاف الصخري والغلاف المائي بـ 5 · 10 14 م 3. تحتوي الغازات الطبيعية الحاملة للهيليوم عادةً على ما يصل إلى 2٪ هيليوم من حيث الحجم (نادرًا 8-16٪). يبلغ متوسط ​​محتوى الهيليوم في المواد الأرضية 3 جم / طن. لوحظ أعلى تركيز للهيليوم في المعادن التي تحتوي على اليورانيوم والثوريوم والساماريوم: الكلفيت ، فيرغسونيت ، سامارسكايت ، جادولينيت ، مونازيت (رمال المونازيت في الهند والبرازيل) ، الثوريانيت. يبلغ محتوى الهيليوم في هذه المعادن 0.8-3.5 لتر / كجم ، بينما يصل في الثوريانايت إلى 10.5 لتر / كجم. يتكون الهيليوم الطبيعي من نظيرين مستقرين: 4 He و 3 He. من المعروف أن ستة نظائر مشعة اصطناعية أخرى للهيليوم.
في الصناعة ، يتم إنتاج الهيليوم من الغازات الطبيعية المحتوية على الهيليوم.

الخصائص الفيزيائية:

مادة الهيليوم البسيطة غير سامة وعديمة اللون والرائحة والمذاق. في ظل الظروف العادية ، يكون غازًا أحادي الذرة ، Tboil = 4.2K (الأصغر بين جميع المواد البسيطة). عند الضغط الجوي ، لا ينتقل إلى الطور الصلب ، حتى في درجات حرارة قريبة جدًا من الصفر المطلق.
في ظل الظروف العادية ، يتصرف الهيليوم تقريبًا مثل الغاز المثالي. الكثافة 0.17847 كجم / م 3. لها موصلية حرارية (0.1437 واط / (م · ك) عند n.c.) أكبر من تلك الغازات الأخرى ، باستثناء الهيدروجين. معامل انكسار الهليوم أقرب إلى الوحدة من أي غاز آخر. الهيليوم أقل قابلية للذوبان في الماء من أي غاز آخر معروف (عند 20 درجة مئوية حوالي 8.8 مل / لتر). معدل انتشاره من خلال المواد الصلبة هو ثلاثة أضعاف الهواء ، وحوالي 65٪ أسرع من الهيدروجين.
عندما يمر تيار عبر أنبوب مملوء بالهيليوم ، يتم ملاحظة تصريفات بألوان مختلفة ، اعتمادًا بشكل أساسي على ضغط الغاز في الأنبوب.

الخواص الكيميائية:

الهيليوم هو العنصر الأقل نشاطًا كيميائيًا في المجموعة الثامنة من الجدول الدوري. في الطور الغازي ، يمكن أن تشكل (تحت تأثير التفريغ الكهربائي أو الأشعة فوق البنفسجية) ما يسمى بجزيئات الإكسيمر ، حيث تكون الحالات الإلكترونية المثارة مستقرة وحالة الأرض غير مستقرة: جزيئات ثنائي الذرة هي 2 ، فلوريد HeF ، HeCl كلوريد. عمر هذه الجسيمات قصير جدًا ، وعادة ما يكون بضع نانو ثانية. على عكس العديد من الغازات الأخرى ، لا يشكل الهيليوم مادة clathrates ، لأن ذرات الهيليوم الصغيرة "تهرب" من الفراغات الكبيرة جدًا بالنسبة لها في بنية الماء.

تطبيق:

تستخدم الخصائص الفريدة للهليوم على نطاق واسع:
- في علم المعادن كغاز خامل وقائي لصهر المعادن النقية ؛
- مسجلة في صناعة المواد الغذائية كمضافات غذائية E939 ، كمادة دافعة وغاز للتعبئة ؛
- كمبرد للحصول على درجات حرارة منخفضة للغاية ؛
- لملء البالونات (المناطيد) والبالونات وقذائف مجسات الأرصاد الجوية ؛
- كمبرد في بعض أنواع المفاعلات النووية ؛
- كناقل في كروماتوغرافيا الغاز ؛
- للبحث عن التسريبات في خطوط الأنابيب والغلايات ؛
- لملء أنابيب تصريف الغاز ؛
- كعنصر من مكونات السائل العامل في ليزر الهليوم نيون ؛
- في تقنية تشتت النيوترونات كمستقطب وحشو لكاشفات النيوترونات الحساسة للموضع ؛
- في مخاليط التنفس للغوص في أعماق البحار ؛
- لتغيير جرس الحبال الصوتية (تأثير زيادة نغمة الصوت) بسبب الاختلاف في كثافة خليط الهواء المعتاد والهيليوم ، إلخ ؛
- نوكليد 3 هو وقود واعد للطاقة النووية الحرارية.

الهيليوم عنصر كيميائي برمز هو والرقم الذري 2. وهو غاز عديم اللون ، عديم الرائحة ، لا طعم له ، غير سام ، خامل ، غاز أحادي الذرة ، الأول في مجموعة الغازات النبيلة في الجدول الدوري. نقطة الغليان هي الأدنى بين جميع العناصر. بعد الهيدروجين ، الهيليوم هو ثاني أخف عنصر وثاني أكثر العناصر وفرة في الكون المرئي ، حيث يوجد حوالي 24٪ من الكتلة الكلية للعناصر ، أي أكثر من 12 ضعف كتلة كل العناصر الأثقل مجتمعة. ترجع وفرتها إلى طاقة الربط النووية العالية جدًا (لكل نواة) للهيليوم 4 بالنسبة للعناصر الثلاثة التالية بعد الهيليوم. تشرح طاقة ارتباط الهليوم -4 هذه أيضًا سبب كون الهليوم نتاجًا لكل من الاندماج النووي والانحلال الإشعاعي. معظم الهيليوم في الكون على شكل هيليوم -4 ، ويعتقد أنه تشكل خلال الانفجار العظيم. يتم إنشاء كمية كبيرة من الهيليوم الجديد عن طريق الاندماج النووي للهيدروجين في النجوم. تم تسمية الهيليوم على اسم إله الشمس اليوناني هيليوس. تم اكتشاف الهيليوم لأول مرة على أنه توقيع خط طيفي أصفر غير معروف في ضوء الشمس أثناء كسوف الشمس في عام 1868 من قبل جورج رايت ، الكابتن سي تي. هيج ، نورمان ر. بوجسون ، والملازم جون هيرشل.

تم تأكيد هذه الملاحظة لاحقًا من قبل عالم الفلك الفرنسي جول يانسن. غالبًا ما يُنسب إلى Janssen اكتشاف هذا العنصر جنبًا إلى جنب مع Norman Lockyer. سجل يانسن الخط الطيفي للهيليوم خلال كسوف الشمس عام 1868 ، بينما لاحظ لوكير هذه الظاهرة من بريطانيا. كان Lockyer أول من اقترح أن هذا الخط مرتبط بعنصر جديد ، أطلق عليه اسم الهيليوم. تم الاكتشاف الرسمي للعنصر في عام 1895 من قبل اثنين من الكيميائيين السويديين ، Per Theodor Cleve و Nils Abraham Langlet ، الذين اكتشفوا الهيليوم القادم من اليورانيوم cleveite. في عام 1903 ، تم اكتشاف احتياطيات كبيرة من الهيليوم في حقول الغاز الطبيعي في أجزاء من الولايات المتحدة. حتى الآن ، تعد الولايات المتحدة أكبر مورد للغاز. يستخدم الهيليوم السائل في علم التبريد (أكبر استخدام منفرد له ، يمتص حوالي ربع الإنتاج) ، ولا سيما في تبريد المغناطيسات فائقة التوصيل ، مع التطبيق التجاري الرئيسي في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. الاستخدامات الصناعية الأخرى للهيليوم هي كغاز مضغوط وتنظيف ، وكجواء واقٍ للحام القوسي ، وفي عمليات مثل بلورات النمو لصنع رقائق السيليكون. من الاستخدامات المعروفة والضعيفة للهيليوم كغاز رفع للبالونات والمناطيد. كما هو الحال مع أي غاز تختلف كثافته عن كثافة الهواء ، فإن استنشاق كمية صغيرة من الهيليوم يغير مؤقتًا جرس الصوت البشري وجودته. في البحث العلمي ، يعتبر سلوك المرحلتين السائلتين من الهيليوم -4 (الهليوم الأول والهيليوم الثاني) مهمًا للباحثين الذين يدرسون ميكانيكا الكم (على وجه الخصوص ، خاصية السيولة الفائقة) وللعلماء الذين يدرسون ظواهر مثل الموصلية الفائقة في مادة قريبة من المطلق صفر. على الأرض ، الهيليوم نادر نسبيًا - 5.2 جزء في المليون. من حيث الحجم في الغلاف الجوي. اليوم ، يتم إنشاء معظم الهيليوم الموجود على الأرض من خلال التحلل الإشعاعي الطبيعي للعناصر المشعة الثقيلة (الثوريوم واليورانيوم ، على الرغم من وجود أمثلة أخرى) ، نظرًا لأن جسيمات ألفا المنبعثة من مثل هذه الانحرافات تتكون من نوى الهليوم -4. يتم التقاط هذا الهليوم المشع في الغاز الطبيعي بتركيزات تصل إلى 7٪ من حيث الحجم ، حيث يتم استعادته تجاريًا عن طريق فصل درجات الحرارة المنخفضة يسمى التقطير التجزيئي. اعتاد الهيليوم الأرضي أن يكون مورداً غير متجدد لأنه بمجرد إطلاقه في الغلاف الجوي ، يمكن أن ينتقل بسهولة إلى الفضاء ، وكان يُعتقد أن العنصر أصبح نادرًا بشكل متزايد. ومع ذلك ، تظهر الدراسات الحديثة أن الهيليوم المنتج على الأرض من الاضمحلال الإشعاعي يمكن جمعه بكميات أكبر من المتوقع في احتياطيات الغاز الطبيعي ، وفي بعض الحالات ينطلق من النشاط البركاني.

قصة

اكتشافات علمية

تم تقديم أول دليل على وجود الهيليوم في 18 أغسطس 1868. لوحظ خط أصفر لامع بطول موجي 587.49 نانومتر في طيف كروموسفير الشمس. اكتشف عالم الفلك الفرنسي جول يانسن هذا الخط خلال كسوف كلي للشمس في جونتور بالهند. كان يعتقد في الأصل أن هذا الخط هو الصوديوم. في 20 أكتوبر من نفس العام ، لاحظ عالم الفلك الإنجليزي نورمان لوكير وجود خط أصفر في طيف الشمس ، والذي سماه خط D3 Fraunhofer لأنه قريب من خطوط الصوديوم المعروفة D1 و D2. توصل العالم إلى استنتاج مفاده أن هذا الخط ناتج عن عنصر من الشمس غير معروف على الأرض. سمى لوكير والكيميائي الإنجليزي إدوارد فرانكلاند العنصر بالكلمة اليونانية للشمس ، ἥλιος (هيليوس). في عام 1881 ، اكتشف الفيزيائي الإيطالي لويجي بالميري لأول مرة الهيليوم على الأرض من خلال خطه الطيفي D3 ، أثناء تحليل المواد التي تم تساميها أثناء ثوران جبل فيزوف. في 26 مارس 1895 ، عزل الكيميائي الاسكتلندي السير ويليام رامزي الهيليوم على الأرض عن طريق معالجة معدن cleaveite (مجموعة من اليورانين تحتوي على 10٪ على الأقل من العناصر الأرضية النادرة) بالأحماض المعدنية. كان رامسي يبحث عن الأرجون ، ولكن بعد فصل النيتروجين والأكسجين عن الغاز المنبعث من حامض الكبريتيك ، لاحظ وجود خط أصفر لامع يطابق خط D3 المرئي في طيف الشمس. تم تحديد هذه العينات على أنها هيليوم من قبل لوكير والفيزيائي البريطاني ويليام كروكس. تم عزل الهيليوم بشكل مستقل عن kleveite في نفس العام بواسطة الكيميائيين Per Theodor Kleve و Abraham Langlet في أوبسالا ، السويد ، الذين جمعوا ما يكفي من الغاز لتحديد وزنه الذري بدقة. تم عزل الهيليوم أيضًا من قبل عالم الكيمياء الجيولوجي الأمريكي ويليام فرانسيس هيلبراند قبل اكتشاف رامسي ، عندما لاحظ خطوطًا طيفية غير عادية أثناء اختبار عينة من معدن اليورانيت. ومع ذلك ، أرجع هيلبراند هذه الخطوط إلى النيتروجين. في عام 1907 ، أوضح إرنست رذرفورد وتوماس رويدز أن جسيمات ألفا هي نوى هيليوم من خلال السماح للجسيمات باختراق الجدار الزجاجي الرقيق للأنبوب المفرغ ثم إنشاء تفريغ في الأنبوب لدراسة أطياف الغاز الجديد بداخله. في عام 1908 ، قام الفيزيائي الهولندي Heike Kamerlingh Onnes بتسييل الهيليوم لأول مرة عن طريق تبريد الغاز إلى أقل من واحد كلفن. لقد حاول ترسيخ الغاز عن طريق خفض درجة الحرارة بشكل أكبر ، لكنه فشل لأن الهيليوم لا يتصلب عند الضغط الجوي. تمكن طالب أونز ، ويليم هندريك كيسوم ، في النهاية من ترسيخ 1 سم 3 من الهيليوم في عام 1926 عن طريق إضافة ضغط خارجي إضافي. في عام 1938 ، اكتشف الفيزيائي الروسي بيوتر ليونيدوفيتش كابيتسا أن الهليوم -4 ليس له لزوجة تقريبًا عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق ، وهي ظاهرة تسمى الآن السيولة الفائقة. ترتبط هذه الظاهرة بتكثيف بوز-آينشتاين. في عام 1972 ، لوحظت الظاهرة نفسها بالنسبة للهيليوم 3 ، ولكن عند درجات حرارة أقرب بكثير من الصفر المطلق ، بواسطة الفيزيائيين الأمريكيين دوجلاس دي أوشيروف ، وديفيد إم لي ، وروبرت سي ريتشاردسون. يُعتقد أن الظاهرة في الهليوم -3 ترجع إلى اقتران فرميونات الهليوم 3 لتكوين بوزونات ، على غرار أزواج كوبر من الإلكترونات التي تنتج الموصلية الفائقة.

الاستخراج والاستخدام

بعد عملية التنقيب عن النفط في عام 1903 في دكستر ، كانساس ، تم إنتاج نبع غاز لم يحترق ، وقام عالم الجيولوجيا بولاية كانساس ، إيراسموس هاورث ، بجمع عينات من الغاز المتسرب وأخذها إلى جامعة كانساس في لورانس ، حيث ، بمساعدة الكيميائيين هاميلتون كودي وديفيد ماكفارلاند ، وجد أن الغاز يتكون من 72٪ نيتروجين ، و 15٪ ميثان (نسبة قابلة للاحتراق مع أكسجين كافٍ فقط) ، و 1٪ هيدروجين ، و 12٪ غاز غير معروف. عند إجراء مزيد من التحليل ، وجد كادي ومكفارلاند أن 1.84٪ من عينة الغاز كانت عبارة عن الهيليوم. أظهر هذا أنه على الرغم من ندرته العامة على الأرض ، إلا أن الهيليوم كان يتركز بكميات كبيرة تحت السهول الأمريكية الكبرى ، وهو متاح للاستخراج كمنتج ثانوي للغاز الطبيعي. سمح ذلك للولايات المتحدة بأن تصبح المزود الرائد للهيليوم في العالم. بناءً على اقتراح من السير ريتشارد ثريلفال ، رعت البحرية الأمريكية ثلاثة مصانع صغيرة للهيليوم خلال الحرب العالمية الأولى. كان الهدف هو تزويد بالونات الازدهار بغاز غير قابل للاشتعال أخف من الهواء. خلال هذا البرنامج ، تم إنتاج 5700 متر مكعب (200000 قدم مكعب) بنسبة 92 ٪ من الهيليوم ، على الرغم من أنه تم إنتاج أقل من متر مكعب واحد من هذا الغاز سابقًا. تم استخدام بعض من هذا الغاز في أول منطاد هيليوم في العالم ، وهي طائرة تابعة للبحرية الأمريكية من طراز C-7 قامت برحلتها الأولى من هامبتون رودز ، فيرجينيا إلى بولينج فيلد في واشنطن العاصمة في 1 ديسمبر 1921 ، قبل عامين تقريبًا من الإنشاء. منطاد صلب مليء بالهيليوم في سبتمبر 1923 في مصنع شيناندواه. على الرغم من أن عملية الاستخراج باستخدام تسييل الغاز منخفض الحرارة لم يتم تطويرها في ذلك الوقت ، خلال الحرب العالمية الأولى ، استمر الإنتاج. تم استخدام الهيليوم بشكل أساسي كغاز رفع في الطائرات أخف من الهواء. خلال الحرب العالمية الثانية ، زاد الطلب على الهليوم كغاز رفع ولحام القوس المحمي. كان مطياف كتلة الهليوم ذا أهمية كبيرة أيضًا في مشروع مانهاتن (الاسم الرمزي للعمل على إنشاء أول قنبلة ذرية في الولايات المتحدة خلال الحرب العالمية الثانية). أنشأت حكومة الولايات المتحدة محمية الهيليوم الوطنية في عام 1925 في أماريلو ، تكساس ، لغرض إمداد المناطيد العسكرية في أوقات الحرب والمناطيد التجارية في أوقات السلم. بسبب قانون التحكم في الهيليوم (1927) ، الذي حظر تصدير الهليوم النادر ، الذي كان في ذلك الوقت احتكارًا للولايات المتحدة ، إلى جانب التكلفة الباهظة للغاز ، أُجبرت هيندنبورغ ، مثل جميع مناطق زيبلين الألمانية ، على استخدام الهيدروجين كغاز رفع . تم قمع سوق الهليوم بعد الحرب العالمية الثانية ، ولكن تم توسيع المخزونات في الخمسينيات من القرن الماضي لتزويد الهيليوم السائل كمبرد لوقود صاروخ أوكسي الهيدروجين (من بين استخدامات أخرى) خلال سباق الفضاء والحرب الباردة. كان استخدام الهيليوم في الولايات المتحدة في عام 1965 أكثر من ثمانية أضعاف استهلاكه في زمن الحرب. منذ "تعديلات قوانين الهيليوم لعام 1960" (القانون العام 86-777) ، أنشأ مكتب الولايات المتحدة خمسة مصانع خاصة لاستعادة الهيليوم من الغاز الطبيعي. بالنسبة لبرنامج الحفاظ على الهيليوم هذا ، قام المكتب ببناء خط أنابيب بطول 425 ميلاً (684 كيلومترًا) من بوشتون ، كانساس ، لربط هذه المحطات بحقل غاز كليفسايد الحكومي المنضب جزئيًا بالقرب من أماريلو ، تكساس. تم حقن خليط الهيليوم-النيتروجين هذا وتخزينه في حقل غاز كليفسايد لحين الحاجة ، وخلال هذه الفترة تم تكريره بشكل أكبر. بحلول عام 1995 ، تم جمع مليار متر مكعب من الغاز وكان الاحتياطي 1.4 مليار دولار من الديون ، مما دفع كونغرس الولايات المتحدة إلى تصفية الاحتياطي في عام 1996. يجبر "قانون خصخصة الهيليوم لعام 1996" (القانون العام 104-273) وزارة الداخلية الأمريكية على الإفراج عن الاحتياطي وبدء المبيعات اعتبارًا من عام 2005. كان الهيليوم المنتج بين عامي 1930 و 1945 نقيًا بنسبة 98.3 ٪ تقريبًا (2 ٪ نيتروجين) ، وهو ما يكفي للمناطيد. في عام 1945 ، تم الحصول على كمية صغيرة من الهيليوم بنسبة 99.9٪ من أجل اللحام. بحلول عام 1949 ، أصبح الهليوم التجاري من الدرجة الأولى بنسبة 99.95٪ متاحًا. لسنوات ، أنتجت الولايات المتحدة أكثر من 90 ٪ من الهليوم المستخدم تجاريًا في العالم ، مع منشآت التعدين في كندا وبولندا وروسيا ودول أخرى تنتج الباقي. في منتصف التسعينيات ، بدأ مصنع جديد في أرجيف ، الجزائر العاصمة ، العمل ، ينتج 17 مليون متر مكعب (600 مليون قدم مكعب من الهيليوم) ، مع إنتاج كافٍ لتغطية جميع احتياجات أوروبا. وفي الوقت نفسه ، بحلول عام 2000 ، زاد استهلاك الهليوم في الولايات المتحدة إلى أكثر من 15 مليون كيلوجرام في السنة. في 2004-2006 ، تم بناء مصانع إضافية في راس لفان بقطر وسكيكدة بالجزائر. سرعان ما أصبحت الجزائر ثاني أكبر منتج للهيليوم. خلال هذا الوقت ، زاد كل من استهلاك الهيليوم وتكاليف إنتاج الهيليوم. من 2002 إلى 2007 تضاعفت أسعار الهيليوم. اعتبارًا من عام 2012 ، كان احتياطي الهليوم الوطني للولايات المتحدة يمثل 30 في المائة من احتياطيات الهليوم في العالم. ومن المتوقع أن ينفد الاحتياطي في 2018. بغض النظر ، سيسمح مشروع قانون مقترح في مجلس الشيوخ الأمريكي للاحتياطي بمواصلة بيع الغاز. كانت الاحتياطيات الكبيرة الأخرى من الهيليوم في ولاية هوجوتون في كانساس بالولايات المتحدة الأمريكية ، وحقول الغاز القريبة في كانساس ، وكذلك في مرتفعات تكساس وأوكلاهوما. كان من المقرر افتتاح مصانع جديدة للهيليوم في عام 2012 في قطر وروسيا ووايومنغ في الولايات المتحدة ، لكن لم يكن من المتوقع أن تقلل النقص. في عام 2013 ، بدأ البناء في أكبر مصنع للهيليوم في العالم في قطر. تم الاعتراف على نطاق واسع بأن عام 2014 هو عام زيادة العرض في صناعة الهيليوم ، بعد سنوات من النقص.

مميزات

ذرة الهيليوم

الهيليوم في ميكانيكا الكم

من منظور ميكانيكا الكم ، الهيليوم هو ثاني أبسط ذرة في النموذج ، بعد ذرة الهيدروجين. يتكون الهيليوم من إلكترونين في المدارات الذرية المحيطة بنواة تحتوي على بروتونين و (عادة) نيوترونين. كما هو الحال في ميكانيكا نيوتن ، لا يمكن حل أي نظام يتكون من أكثر من جسيمين باستخدام نهج رياضي تحليلي دقيق ، والهيليوم ليس استثناءً. وبالتالي ، فإن الطرق الرياضية العددية مطلوبة ، حتى لحل نظام يتكون من نواة واحدة وإلكترونين. تم استخدام طرق الكيمياء الحاسوبية هذه لتوليد صورة ميكانيكية كمومية لربط إلكترون الهيليوم والتي تكون أقل من 2٪ دقيقة عبر عدة خطوات حسابية. تُظهر مثل هذه النماذج أن كل إلكترون في الهليوم يحجب جزئيًا نواة واحدة عن أخرى ، بحيث تكون الشحنة النووية الفعالة Z التي يراها كل إلكترون حوالي 1.69 وحدة ، وليست شحنتين من نواة الهليوم الكلاسيكية "العارية".

الاستقرار النسبي لنواة الهليوم -4 وقذيفة الإلكترون

تتطابق نواة ذرة الهليوم -4 مع جسيم ألفا. تُظهر تجارب تشتت الإلكترونات عالية الطاقة أن شحنتها تتناقص بشكل كبير من الحد الأقصى عند النقطة المركزية ، تمامًا مثل كثافة شحنة سحابة الإلكترون الخاصة بالهيليوم. يعكس هذا التناظر فيزياء أساسية مماثلة: يخضع زوج من النيوترونات وزوج من البروتونات في نواة الهليوم لنفس قواعد ميكانيكا الكم كزوج من إلكترونات الهيليوم (على الرغم من أن الجسيمات النووية تخضع لإمكانية ربط نووي مختلفة) ، كل هذه الفرميونات تشغل مداري الآحاد تمامًا في الأزواج ، ولا يمتلك أي منهما زخمًا مداريًا ، وكل منهما يلغي دوران الآخر. تتطلب إضافة أي من هذه الجسيمات زخمًا زاويًا وإطلاق طاقة أقل بشكل كبير (في الواقع ، لا توجد نواة خماسية النوى مستقرة). وبالتالي ، فإن هذا المخطط مستقر للغاية بالنسبة لجميع هذه الجسيمات ، وهذا الاستقرار يفسر العديد من الحقائق المهمة حول الهيليوم في الطبيعة. على سبيل المثال ، يفسر الاستقرار والطاقة المنخفضة لحالة سحابة الإلكترون في الهيليوم الخمول الكيميائي للعنصر ، فضلاً عن عدم تفاعل ذرات الهيليوم مع بعضها البعض ، مما يخلق أدنى درجات انصهار وغليان لجميع العناصر. وبالمثل ، فإن ثبات الطاقة الخاص بنواة الهليوم -4 ، الناتج عن تأثيرات مماثلة ، يفسر سهولة إنتاج الهليوم -4 في التفاعلات الذرية التي تنطوي إما على إطلاق المعادن الثقيلة أو اندماجها. يتم إنتاج بعض الهليوم -3 المستقر (2 بروتون و 1 نيوترون) في تفاعلات اندماج الهيدروجين ، لكن هذه الكمية صغيرة جدًا مقارنة بالطاقة شديدة الحساسية للهيليوم -4. الاستقرار غير العادي لنواة الهليوم -4 مهم أيضًا من الناحية الكونية: فهو يفسر حقيقة أنه في الدقائق القليلة الأولى بعد الانفجار العظيم ، أثناء تكوين "فوضى من البروتونات والنيوترونات الحرة" ، والتي تم إنشاؤها في الأصل بنسبة من حوالي 6: 1 ، تم تبريده لدرجة أن الارتباط النووي أصبح ممكنًا ، كانت جميع النوى الذرية المركبة الأولى تقريبًا عبارة عن نوى هيليوم -4. كان الارتباط بالهيليوم -4 محكمًا جدًا لدرجة أن إنتاج الهليوم -4 استهلك تقريبًا كل النيوترونات الحرة في بضع دقائق قبل أن تتحلل بيتا ، وترك أيضًا كمية صغيرة لتكوين ذرات أثقل مثل الليثيوم أو البريليوم أو البورون. يكون الارتباط النووي للهيليوم -4 لكل نكليون أقوى من أي عنصر من هذه العناصر ، وبالتالي ، عندما تم تكوين الهيليوم ، لم يكن هناك دافع نشط لإنشاء العناصر 3 و 4 و 5. لم يكن من المفيد للغاية أن يندمج الهيليوم في العنصر التالي بطاقة أقل لكل نيوكليون ، أي الكربون. ومع ذلك ، بسبب نقص العناصر الوسيطة ، تتطلب هذه العملية ثلاث نوى هيليوم تضرب بعضها البعض في وقت واحد تقريبًا. وبالتالي ، لم يكن هناك وقت لتكوين كمية كبيرة من الكربون في غضون دقائق قليلة بعد الانفجار العظيم قبل أن يبرد الكون المبكر المتوسع إلى درجة حرارة وضغط كان من المستحيل عندهما اندماج الهيليوم والكربون. لهذا السبب ، كان للكون المبكر نسبة هيدروجين / هيليوم مماثلة اليوم (3 أجزاء من الهيدروجين إلى جزء واحد من الهيليوم -4 بالكتلة) ، مع ما يقرب من جميع النيوترونات في الكون التي تم التقاطها بواسطة الهيليوم -4. تم إنشاء جميع العناصر الثقيلة (بما في ذلك العناصر اللازمة للكواكب الصخرية مثل الأرض والكربون أو أشكال الحياة الأخرى) بعد الانفجار العظيم في النجوم التي كانت ساخنة بدرجة كافية لدمج الهيليوم نفسه. تشكل جميع العناصر ، باستثناء الهيدروجين والهيليوم ، اليوم 2٪ فقط من كتلة المادة الذرية في الكون. على النقيض من ذلك ، يشكل الهيليوم -4 حوالي 23٪ من المادة العادية في الكون - تقريبًا كل المواد العادية التي لا تحتوي على الهيدروجين.

مراحل الغاز والبلازما

الهيليوم هو ثاني أقل الغازات النبيلة تفاعلًا بعد النيون ، وبالتالي فهو ثاني أقل الغازات تفاعلًا بين جميع العناصر. إنه خامل وأحادي الذرة في جميع الظروف القياسية. نظرًا للكتلة المولية المنخفضة نسبيًا (الذرية) للهيليوم ، فإن الموصلية الحرارية والسعة الحرارية المحددة وسرعة الصوت في الطور الغازي أكبر من تلك الموجودة في أي غاز آخر غير الهيدروجين. لهذه الأسباب ، وبسبب صغر حجم جزيئات الهيليوم أحادية الذرة ، ينتشر الهيليوم عبر المواد الصلبة بثلاثة أضعاف سرعة الهواء وحوالي 65٪ من سرعة الهيدروجين. الهيليوم هو أقل الغازات أحادية الذوبان في الماء وأحد الغازات الأقل قابلية للذوبان في الماء (CF4 و SF6 و C4F8 أقل قابلية للذوبان في الكسر الجزيئي: 0.3802 و 0.4394 و 0.2372 × 2 / 10-5 على التوالي مقابل 0.70797 × 2 / 10-5 علاوة على ذلك ، فإن معامل الانكسار للهيليوم أقرب إلى الوحدة من أي غاز آخر. يحتوي الهيليوم على معامل جول-طومسون سلبيًا في درجة الحرارة المحيطة العادية ، مما يعني أنه يسخن عندما يُسمح له بالتمدد بحرية. تحت درجة حرارة انعكاس Joule-Thomson (حوالي 32 إلى 50 كلفن عند 1 جو) ، يبرد الهيليوم أثناء تمدده بحرية. بعد التبريد الفائق تحت درجة الحرارة هذه ، يمكن تسييل الهيليوم عن طريق التبريد. معظم الهيليوم الموجود خارج كوكب الأرض يكون في حالة بلازما وله خصائص مختلفة تمامًا عن خصائص الهليوم الذري. في البلازما ، لا ترتبط إلكترونات الهيليوم بنواتها ، مما ينتج عنه موصلية كهربائية عالية جدًا حتى عندما يتأين الغاز جزئيًا فقط. تتأثر الجسيمات المشحونة بشدة بالمجالات المغناطيسية والكهربائية. على سبيل المثال ، في الرياح الشمسية ، جنبًا إلى جنب مع الهيدروجين المتأين ، تتفاعل الجسيمات مع الغلاف المغناطيسي للأرض ، مما يؤدي إلى تيارات بيركلاند والشفق القطبي.

الهيليوم السائل

على عكس أي عنصر آخر ، سيبقى الهيليوم سائلاً حتى الصفر المطلق عند الضغوط العادية. هذا تأثير مباشر لميكانيكا الكم: على وجه الخصوص ، طاقة النقطة الصفرية للنظام عالية جدًا بحيث لا تسمح بالتجميد. يتطلب الهيليوم الصلب درجة حرارة من 1-1.5 كلفن (حوالي -272 درجة مئوية أو -457 درجة فهرنهايت) عند ضغط حوالي 25 بار (2.5 ميجا باسكال). غالبًا ما يكون من الصعب التمييز بين الهيليوم الصلب والهيليوم السائل لأن معامل الانكسار في المرحلتين متماثل تقريبًا. المادة الصلبة لها نقطة انصهار مميزة ولها بنية بلورية ، لكنها شديدة الانضغاط ؛ يمكن أن يؤدي الضغط في المختبر إلى تقليل حجمه بأكثر من 30٪. مع معامل حجم يبلغ حوالي 27 ميجا باسكال ، يكون الهيليوم أكثر قابلية للانضغاط 100 مرة من الماء. تبلغ كثافة الهيليوم الصلب 0.214 ± 0.006 جم / سم 3 عند 1.15 كلفن و 66 ضغط جوي ؛ الكثافة المتوقعة عند 0 كلفن و 25 بار (2.5 ميجا باسكال) هي 0.187 ± 0.009 جم / سم 3. في درجات الحرارة المرتفعة ، سيتصلب الهيليوم بالضغط الكافي. في درجة حرارة الغرفة ، يتطلب هذا حوالي 114000 ضغط جوي.

حالة الهليوم أنا

تحت نقطة غليانه البالغة 4.22 كلفن وفوق نقطة لامدا البالغة 2.1768 كلفن ، يوجد الهيليوم 4 النظيري في حالته السائلة العادية عديمة اللون والتي تسمى الهليوم 1. . ومع ذلك ، تحت نقطة لامدا ، لا يغلي الهيليوم ، ويتمدد مع انخفاض درجة الحرارة أكثر. يحتوي الهيليوم 1 على معامل انكسار غازي يبلغ 1.026 ، مما يجعل من الصعب رؤية سطحه لدرجة أن رغوة البوليسترين المنبثقة تستخدم غالبًا لمراقبة سطحه. يحتوي هذا السائل عديم اللون على لزوجة منخفضة للغاية وكثافة تتراوح من 0.145 إلى 1.125 جم / مل (حوالي 0-4 كلفن) ، وهو ما يمثل ربع القيمة المتوقعة من الفيزياء الكلاسيكية. ميكانيكا الكم ضرورية لشرح هذه الخاصية ، وبالتالي فإن كلا حالتي الهليوم السائل (الهليوم الأول والهيليوم الثاني) تسمى السوائل الكمومية ، مما يعني أنها تظهر خصائص ذرية على نطاق مجهري. قد يكون هذا بسبب حقيقة أن درجة غليان الهيليوم قريبة جدًا من الصفر المطلق بحيث تمنع الحركة الجزيئية العشوائية (الطاقة الحرارية) من إخفاء خصائصها الذرية.

دولة الهليوم الثاني

يتميز الهيليوم السائل الموجود أسفل نقطة لامدا (يسمى الهليوم II) بخصائص غير عادية للغاية. بسبب الموصلية الحرارية العالية ، فإنه عندما يغلي ، فإنه لا يحدث فقاعات بل يتبخر مباشرة من السطح. يحتوي الهليوم 3 أيضًا على طور سائل فائق ، ولكن فقط عند درجات حرارة منخفضة جدًا ؛ نتيجة لذلك ، لا يُعرف الكثير عن خصائص هذا النظير. الهيليوم الثاني هو سائل فائق الميوعة وحالة ميكانيكية كمومية بخصائص غريبة. على سبيل المثال ، عندما يتدفق عبر الشعيرات الدموية بسمك 10-7 إلى 10-8 م ، لا يكون له لزوجة قابلة للقياس. ومع ذلك ، عند إجراء القياسات بين قرصين متحركين ، لوحظت لزوجة مماثلة لتلك الخاصة بالهيليوم الغازي. تشرح النظرية الحالية ذلك بنموذج مائعين للهيليوم II. في هذا النموذج ، يعتبر الهيليوم السائل الموجود أسفل نقطة لامدا مادة تحتوي على جزء من ذرات الهيليوم في الحالة الأرضية وهي مائع للغاية وتتدفق بدون لزوجة ، وجزء من ذرات الهليوم المثارة التي تتصرف مثل سائل عادي. في تأثير التدفق ، يتم بناء غرفة متصلة بخزان الهيليوم II بواسطة قرص متكلس يتدفق من خلاله الهيليوم الفائق الموائع بسهولة ، ولكن لا يمكن أن يمر الهيليوم غير السائل من خلاله. إذا تم تسخين الجزء الداخلي للحاوية ، يتغير الهيليوم السائل إلى الهيليوم غير الفائق. من أجل الحفاظ على نسبة التوازن من الهيليوم السائل ، يتدفق الهيليوم السائل ويزيد الضغط ، مما يتسبب في إطلاق السائل من الحاوية. الموصلية الحرارية للهيليوم II أكبر من أي مادة أخرى معروفة ، ومليون مرة أكبر من تلك الخاصة بالهيليوم الأول ومئات المرات أكبر من تلك الخاصة بالنحاس. هذا يرجع إلى حقيقة أن التوصيل الحراري يحدث بسبب آلية كمية استثنائية. تحتوي معظم المواد التي تنقل الحرارة على نطاق تكافؤ من الإلكترونات الحرة التي تعمل على نقل الحرارة. لا يحتوي الهيليوم الثاني على شريط التكافؤ هذا ، ولكنه مع ذلك ينقل الحرارة بشكل جيد. يتم تحديد تدفق الحرارة من خلال المعادلات التي تشبه معادلة الموجة المستخدمة لوصف انتشار الصوت في الهواء. عند تعرضه للحرارة ، ينتقل بسرعة 20 مترًا في الثانية بسرعة 1.8 كلفن عبر الهيليوم الثاني كموجات في ظاهرة تُعرف باسم الصوت الثاني. كما أن للهيليوم 2 تأثير "زاحف". عندما يمر السطح بمستوى الهليوم II ، يتحرك الهيليوم II عبر السطح عكس الجاذبية. يخرج الهيليوم II من الوعاء غير المختوم ، وينزلق على الجانبين حتى يصل إلى منطقة أكثر دفئًا حيث يتبخر. يتحرك في فيلم بسماكة 30 نانومتر بغض النظر عن مادة السطح. أطلق على هذا الفيلم اسم Rollin film نسبة إلى العالم الذي ميز هذه الصفة لأول مرة ، برنارد دبليو رولين. نتيجة لهذا السلوك "الزاحف" وقدرة الهيليوم الثاني على التدفق بسرعة عبر ثقوب صغيرة ، من الصعب جدًا احتواء الهيليوم السائل. إذا لم يتم بناء الحاوية بعناية ، فسوف يزحف الهيليوم II فوق السطح وعبر الصمامات حتى يصل إلى منطقة أكثر دفئًا ، حيث سيتبخر منها. تخضع الموجات التي تنتشر من خلال فيلم رولين لنفس المعادلة مثل موجات الجاذبية في المياه الضحلة ، ولكن بدلاً من الجاذبية ، فإن قوة الاستعادة هي قوة فان دير فال. تُعرف هذه الموجات بالصوت الثالث.

النظائر

هناك تسعة نظائر معروفة للهيليوم ، لكن الهليوم 3 والهيليوم 4 فقط هما المستقران. في الغلاف الجوي للأرض ، هناك ذرة واحدة لكل مليون 4 ذرة. على عكس معظم العناصر ، تختلف الوفرة النظيرية للهيليوم اختلافًا كبيرًا في الأصل بسبب عمليات التكوين المختلفة. يُنتَج النظير الأكثر وفرة ، الهيليوم -4 ، على الأرض من خلال تحلل ألفا للعناصر الإشعاعية الثقيلة ؛ جسيمات ألفا الناتجة مؤينة بالكامل نوى هيليوم -4. الهليوم -4 نواة مستقرة بشكل غير عادي لأن نواتها مرتبة في قذائف كاملة. كما تم تكوينه بكميات كبيرة في التركيب النووي للانفجار العظيم. الهليوم 3 موجود على الأرض بكميات ضئيلة فقط ؛ كان معظم الهيليوم 3 موجودًا منذ تكوين الأرض ، على الرغم من أن البعض وجد طريقه إلى الأرض محاصرًا في الغبار الكوني. يتم أيضًا إنتاج كميات ضئيلة من الهليوم في اضمحلال بيتا للتريتيوم. تحتوي صخور قشرة الأرض على نسب نظيرية تتفاوت بمقدار عشرة أضعاف ، ويمكن استخدام هذه النسب لدراسة أصل الصخور وتكوين غلاف الأرض. 3 إنه أكثر شيوعًا في النجوم كنتيجة للاندماج النووي. وبالتالي ، فإن نسبة 3He إلى 4He في الوسط النجمي أعلى بحوالي 100 مرة منها على الأرض. المواد خارج الكواكب مثل الثرى القمري والكويكب لديها كميات ضئيلة من الهليوم 3 من تعرضها للقصف بواسطة الرياح الشمسية. يحتوي سطح القمر على الهيليوم 3 بتركيزات تصل إلى 10 جزء في المليون ، أعلى بكثير من حوالي 5 جزء في المليون الموجودة في الغلاف الجوي للأرض. اقترح عدد من العلماء ، بدءًا من Gerald Kulcinski في عام 1986 ، استكشاف القمر ، وجمع الثرى القمري ، واستخدام الهيليوم 3 للاندماج. يمكن تبريد سائل الهيليوم -4 إلى حوالي 1 كلفن باستخدام التبريد التبخيري في وعاء ، والذي يصل إلى 1 كلفن ، يمكن أن يصل التبريد المماثل للهيليوم 3 منخفض الغليان إلى حوالي 0.2 كلفن في ثلاجة هيليوم 3. مخاليط متساوية من السائل 3He و 4He بدرجات حرارة أقل من 0.8 K منفصلة إلى مرحلتين غير قابلين للامتزاج بسبب اختلافهما (لديهم إحصائيات كمية مختلفة: ذرات الهيليوم 4 هي بوزونات ، بينما ذرات الهليوم 3 هي فرميونات). في آلات التبريد التي تعمل على خليط من المواد المبردة ، يتم استخدام عدم الامتزاج لتحقيق درجات حرارة تصل إلى عدة ملي كلفن. من الممكن إنتاج نظائر الهيليوم الغريبة التي تتحلل بسرعة إلى مواد أخرى. أقصر نظير الهيليوم الثقيل عمراً هو الهيليوم -5 ، بعمر نصف يبلغ 7.6 × 10-22 ثانية. يتحلل الهيليوم 6 عن طريق انبعاث جسيم بيتا ويبلغ نصف العمر 0.8 ثانية. ينبعث الهليوم 7 أيضًا جسيم بيتا بالإضافة إلى أشعة جاما. يتم إنتاج الهليوم 7 والهيليوم 8 في بعض التفاعلات النووية. من المعروف أن الهليوم -6 والهيليوم -8 لهما هالة نووية.

مركبات الهيليوم

الهليوم له تكافؤ 0 وهو غير نشط كيميائيًا في جميع الظروف العادية. الهليوم عازل كهربائي ما لم يكن مؤينًا. مثل الغازات النبيلة الأخرى ، يمتلك الهيليوم مستويات طاقة ثابتة تسمح له بالبقاء مؤينًا في تفريغ كهربائي أقل من إمكانات التأين. يمكن أن يشكل الهيليوم مركبات غير مستقرة تُعرف باسم الإكسيمرز مع التنجستن واليود والفلور والكبريت والفوسفور عندما يتعرض لتفريغ الوهج أو القصف الإلكتروني أو يتحول إلى بلازما بوسائل أخرى. وهكذا ، تم إنشاء المركبات الجزيئية HeNe و HgHe10 و WHe2 والأيونات الجزيئية He +2 و He2 +2 و HeH + و HeD +. يعتبر HeH + أيضًا مستقرًا في حالته الأساسية ، ولكنه شديد التفاعل - فهو أقوى حمض برونستيد ، وبالتالي لا يمكن أن يوجد إلا في عزلة ، حيث أنه سيبروتون أي جزيء أو بروثيانيون يتلامس معه. أنتجت هذه الطريقة أيضًا الجزيء المحايد He2 ، الذي يحتوي على عدد كبير من أنظمة النطاق ، و HgHe ، الذي يبدو أنه متماسك معًا فقط بواسطة قوى الاستقطاب. يمكن أن تتكون مركبات الهيليوم فان دير فال أيضًا من غاز الهيليوم المبرد وذرات بعض المواد الأخرى مثل LiHe و He2. من الناحية النظرية ، قد تكون هناك مركبات حقيقية أخرى ، مثل فلوروهيدريد الهيليوم (HHeF) ، والتي ستكون مشابهة لمركب HArF الذي تم اكتشافه في عام 2000. تظهر الحسابات أن مركبين جديدين يحتويان على رابطة الهيليوم والأكسجين يمكن أن يكونا مستقرين. النوعان الجزيئيان الجديدان اللذان تم التنبؤ بهما باستخدام النظرية ، CsFHeO و N (CH3) 4FHeO ، هما مشتقات من أنيون FHeO القابل للاستقرار والذي تم اقتراحه لأول مرة في عام 2005 من قبل مجموعة في تايوان. إذا تم التأكيد بالتجربة ، فإن العنصر الوحيد المتبقي الذي لا يحتوي على مركبات مستقرة معروف سيكون النيون. تم إدخال ذرات الهيليوم في جزيئات الأطر الكربونية المجوفة (الفوليرينات) عن طريق التسخين تحت ضغط عالٍ. تكون جزيئات الفوليرين الإندوهيدرالية المستقرة عند درجات حرارة عالية. عندما تتشكل المشتقات الكيميائية لهذه الفوليرينات ، يبقى الهيليوم بالداخل. إذا تم استخدام الهليوم -3 ، فيمكن ملاحظته بسهولة باستخدام مطياف الرنين المغناطيسي النووي للهيليوم. تم الإبلاغ عن العديد من الفوليرينات التي تحتوي على الهيليوم 3. على الرغم من أن ذرات الهيليوم ليست مرتبطة بروابط تساهمية أو أيونية ، إلا أن هذه المواد لها خصائص معينة وتركيب معين ، مثل جميع المركبات الكيميائية المتكافئة. عند الضغط العالي ، يمكن للهليوم تكوين مركبات مع عناصر أخرى مختلفة. نمت بلورات نيتروجين الهيليوم (He (N2) 11) في درجة حرارة الغرفة عند ضغوط تقريبية. 10 جيجا باسكال في غرفة الضغط العالي مع سندان ماسي. لقد تبين أن الإلكتروليت العازل Na2He مستقر ديناميكيًا عند ضغوط أعلى من 113 جيجا باسكال. لها هيكل فلوريت.

الأصل والإنتاج

وفرة طبيعية

على الرغم من ندرته على الأرض ، إلا أن الهيليوم هو ثاني أكثر العناصر وفرة في الكون المعروف (بعد الهيدروجين) ، حيث يشكل 23٪ من كتلته الباريونية. تشكلت الغالبية العظمى من الهيليوم عن طريق التخليق النووي Big Bang بعد دقيقة إلى ثلاث دقائق من الانفجار العظيم. وبالتالي ، فإن قياسات وفرتها تساهم في النماذج الكونية. في النجوم ، يتكون الهيليوم من الاندماج النووي للهيدروجين في تفاعلات سلسلة بروتون-بروتون ودورة CNO ، وهي جزء من التركيب النووي النجمي. في الغلاف الجوي للأرض ، تركيز الهيليوم من حيث الحجم هو 5.2 جزء في المليون فقط. التركيز منخفض وثابت إلى حد ما ، على الرغم من الإنتاج المستمر للهيليوم الجديد ، لأن معظم الهيليوم الموجود في الغلاف الجوي للأرض يدخل الفضاء من خلال عدة عمليات. في الغلاف الجوي الأرضي ، أجزاء من الغلاف الجوي العلوي ، والهليوم والغازات الأخف وزنًا هي العناصر الأكثر وفرة. معظم الهيليوم الموجود على الأرض هو نتيجة الاضمحلال الإشعاعي. يوجد الهيليوم بكميات كبيرة في معادن اليورانيوم والثوريوم ، بما في ذلك الكليفايت ، والقطران ، والكاروتيت ، والمونازيت ، حيث يطلقون جزيئات ألفا (نوى الهيليوم ، He2 +) التي ترتبط بها الإلكترونات فورًا بمجرد إيقاف الجسيمات بواسطة الحجر. وهكذا ، يتم توليد حوالي 3000 طن متري من الهليوم في الغلاف الصخري بأكمله. في القشرة الأرضية ، تركيز الهيليوم هو 8 أجزاء في المليار. في مياه البحر ، يكون التركيز 4 أجزاء فقط لكل تريليون. توجد أيضًا كميات صغيرة من الهيليوم في الينابيع المعدنية والغاز البركاني والحديد النيزكي. نظرًا لأن الهليوم محاصر في باطن الأرض في ظل ظروف تحبس أيضًا الغاز الطبيعي ، توجد أكبر التركيزات الطبيعية للهيليوم على الكوكب في الغاز الطبيعي ، والذي يُستخرج منه معظم الهيليوم التجاري. تختلف تركيزات الهيليوم على نطاق واسع ، من بضع جزء في المليون إلى أكثر من 7٪ في حقل غاز صغير في مقاطعة سان خوان ، نيو مكسيكو. اعتبارًا من عام 2011 ، قدرت احتياطيات الهليوم في العالم بـ 40 مليار متر مكعب ، مع ربع هذه الاحتياطيات تقع في حقل جنوب بارس / شمال القبة للغاز المكثف ، المملوكة بشكل مشترك لكل من قطر وإيران. في عامي 2015 و 2016 تم الإعلان عن المزيد من الاحتياطيات المحتملة في جبال روكي بأمريكا الشمالية وشرق إفريقيا.

التعدين والتوزيع الحديث

للاستخدام على نطاق واسع ، يتم استخراج الهيليوم بالتقطير الجزئي من الغاز الطبيعي ، والذي يمكن أن يحتوي على ما يصل إلى 7٪ هيليوم. نظرًا لأن للهيليوم نقطة غليان أقل من أي عنصر آخر ، يتم استخدام درجة الحرارة المنخفضة والضغط العالي لتسييل جميع الغازات الأخرى تقريبًا (النيتروجين والميثان بشكل أساسي). يتم تنقية غاز الهليوم الخام الناتج عن طريق معالجات متتالية لخفض درجة الحرارة ، حيث يتم ترسيب جميع النيتروجين والغازات الأخرى تقريبًا من خليط الغاز. يستخدم الكربون المنشط كخطوة تنقية نهائية ، وعادة ما ينتج 99.995٪ هيليوم نقي من الفئة أ. النجاسة الرئيسية في الهليوم من الصنف (أ) هي النيون. في المرحلة النهائية من الإنتاج ، يتم تسييل معظم الهيليوم المنتج من خلال عملية التبريد. يعد هذا ضروريًا للتطبيقات التي تتطلب الهيليوم السائل ويسمح أيضًا لموردي الهيليوم بتقليل تكلفة نقل الهيليوم لمسافات طويلة ، حيث أن أكبر حاويات الهيليوم السائل لديها أكثر من خمسة أضعاف سعة أكبر مقطورات الهيليوم الغازية. في عام 2008 ، تم استرداد ما يقرب من 169 مليون متر مكعب قياسي من الهيليوم من احتياطيات الغاز الطبيعي أو الهيليوم ، وحوالي 78٪ من الولايات المتحدة ، و 10٪ من الجزائر ومعظم الباقي من روسيا وبولندا وقطر. بحلول عام 2013 ، أدت الزيادة في إنتاج الهليوم في قطر (بواسطة RasGas تحت Air Liquide) إلى زيادة حصة قطر من إنتاج الهليوم العالمي إلى 25٪ وجعلت الدولة ثاني أكبر مصدر للهيليوم بعد الولايات المتحدة. تم اكتشاف ما يقدر بنحو 54 مليار قدم مكعب (1.5 × 109 م 3) من الهليوم في تنزانيا في عام 2016. في الولايات المتحدة ، يتم استخراج معظم الهيليوم من الغاز الطبيعي في Hugoton وحقول الغاز القريبة في كانساس وأوكلاهوما وحقل بانهاندل في تكساس. تم نقل معظم هذا الغاز بالأنابيب إلى احتياطي الهليوم الوطني ، ولكن منذ عام 2005 ، تم استنفاد هذا الاحتياطي وبيعه ومن المتوقع أن ينضب إلى حد كبير بحلول عام 2021 ، وفقًا لقانون الهيليوم المسؤول والإشراف. المعتمد في أكتوبر 2013 (الموارد البشرية) 527). يعد انتشار الغاز الطبيعي الخام من خلال أغشية خاصة شبه منفذة وحواجز أخرى طريقة أخرى لاستعادة وتنقية الهيليوم. في عام 1996 ، تم اكتشاف احتياطيات الهليوم في الولايات المتحدة في مجمعات آبار الغاز هذه ، حوالي 147 مليار قدم مكعب قياسي (4.2 مليار SCM). بمعدل الاستخدام في ذلك الوقت (72 مليون SCM سنويًا في الولايات المتحدة) ، كان الهيليوم كافياً لنحو 58 عامًا من الاستخدام في الولايات المتحدة ، وأقل من ذلك (ربما 80٪ من الوقت) في العالم ، لكن العوامل التي تؤثر على المدخرات والمعالجة تؤثر على نسب الاحتياطي الفعال. يجب استخراج الهيليوم من الغاز الطبيعي لأنه ليس سوى جزء بسيط من النيون الموجود في الهواء ، لكن الطلب عليه أعلى بكثير. تشير التقديرات إلى أنه إذا تم تحويل جميع منتجات النيون لتخزين الهيليوم ، فسيتم تلبية 0.1 ٪ من احتياجات الهليوم في العالم. وبالمثل ، يمكن تلبية 1٪ فقط من احتياجات العالم من الهيليوم عن طريق إعادة تركيب جميع محطات تقطير الهواء. يمكن تصنيع الهيليوم عن طريق قصف الليثيوم أو البورون بالبروتونات عالية السرعة أو بقصف الليثيوم بالديوترونات ، لكن هذه العمليات غير اقتصادية تمامًا. يتوفر الهيليوم تجاريًا في صورة سائلة أو غازية. كسائل ، يمكن توفيره في حاويات صغيرة معزولة تسمى ديوار ، والتي تستوعب ما يصل إلى 1000 لتر من الهيليوم ، أو حاويات ISO كبيرة ، والتي لها سعة اسمية تصل إلى 42 متر مكعب (حوالي 11000 جالون أمريكي). في الشكل الغازي ، تُباع كميات صغيرة من الهيليوم في أسطوانات ضغط عالي تصل سعتها إلى 8 م 3 (قدم مكعب تقريبًا).

حماية سلامة الهليوم

وفقًا لمناصري الحفاظ على الهيليوم ، مثل الفيزيائي الحائز على جائزة نوبل روبرت كولمان ريتشاردسون ، في عام 2010 ، شجع سعر السوق الحر للهيليوم على استخدامه "المهدر" (على سبيل المثال ، لبالونات الهيليوم). في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، تم تخفيض الأسعار بقرار من الكونجرس الأمريكي لبيع مخزونات كبيرة من الهيليوم في البلاد بحلول عام 2015. قال ريتشاردسون إنه يجب مضاعفة السعر بمقدار 20 للتخلص من نضوب الهيليوم المفرط. في كتابهم مستقبل الهليوم كمورد طبيعي (روتليدج ، 2012) ، اقترح Nuttall و Clarke & Glowacki (2012) أيضًا إنشاء وكالة دولية للهيليوم (IHA) لإنشاء سوق مستدام لهذه السلعة الثمينة.

مجالات الاستخدام

في حين أن البالونات ربما تكون أشهر استخدام للهيليوم ، إلا أنها تمثل جزءًا بسيطًا من جميع استخدامات الهيليوم. يستخدم الهيليوم في العديد من الأغراض التي تتطلب بعض خصائصه الفريدة مثل نقطة الغليان المنخفضة ، الكثافة المنخفضة ، قابلية الذوبان المنخفضة ، التوصيل الحراري العالي أو الخمول. من إجمالي الإنتاج العالمي للهيليوم في عام 2014 ، حوالي 32 مليون كيلوجرام (180 مليون متر مكعب قياسي) من الهيليوم سنويًا ، أكبر استخدام (حوالي 32 ٪ من الإجمالي في عام 2014) في التطبيقات المبردة ، ومعظمها ينطوي على التبريد. المغناطيسات فائقة التوصيل في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي الطبية ومقاييس الطيف بالرنين المغناطيسي النووي. ومن التطبيقات الرئيسية الأخرى أنظمة الضغط والتطهير واللحام وصيانة الجو المتحكم فيه وكشف التسرب. الاستخدامات الأخرى حسب الفئة كانت كسورًا صغيرة نسبيًا.

أجواء خاضعة للرقابة

يستخدم الهيليوم كغاز وقائي في نمو بلورات السيليكون والجرمانيوم ، وفي إنتاج التيتانيوم والزركونيوم ، وفي كروماتوغرافيا الغاز لأنه خامل. نظرًا لخمولها وطبيعتها الحرارية والمثالية من حيث السعرات الحرارية وسرعة الصوت العالية ونسبة السعة الحرارية العالية ، فهي مفيدة أيضًا في أنفاق الرياح الأسرع من الصوت وتطبيقات الدفع.

التنغستن الغاز لحام القوس

يستخدم الهيليوم كغاز وقائي في عمليات اللحام بالقوس الكهربائي على المواد الملوثة والضعيفة بالهواء أو النيتروجين عند درجات حرارة اللحام. يستخدم لحام القوس التنغستن الغازي مجموعة من غازات الدرع الخامل ، ولكنه يستخدم الهيليوم بدلاً من الأرجون الرخيص ، خاصةً للمواد الاستهلاكية لحام الموصلية الحرارية العالية مثل الألومنيوم أو النحاس.

استخدامات أقل شيوعًا

كشف التسرب الصناعي

أحد التطبيقات الصناعية للهيليوم هو اكتشاف التسرب. نظرًا لأن الهليوم ينتشر عبر المواد الصلبة أسرع بثلاث مرات من الهواء ، فإنه يستخدم كغاز تتبع لاكتشاف التسريبات في معدات التفريغ العالي (مثل خزانات التبريد) وحاويات الضغط العالي. يتم وضع مادة الاختبار في الحجرة ، ثم يتم تفريغها وتعبئتها بالهيليوم. يتم الكشف عن الهيليوم الذي يمر عبر التسرب بواسطة جهاز حساس (مطياف كتلة الهيليوم) حتى بمعدلات تسرب تبلغ 10-9 ملي بار لتر / ثانية (10-10 باسكال م 3 / ثانية). عادة ما يتم إجراء القياس تلقائيًا ويسمى اختبار الهيليوم المتكامل. إجراء بسيط هو ملء كائن الاختبار بالهيليوم والبحث يدويًا عن التسرب باستخدام جهاز محمول باليد. لا ينبغي الخلط بين ترشيح الهيليوم من خلال الشقوق وتخلل الغاز من خلال المواد السائبة. بينما وثق الهيليوم ثوابت النفاذية (وبالتالي معدل الاختراق المحسوب) من خلال الزجاج والسيراميك والمواد التركيبية ، فإن الغازات الخاملة مثل الهيليوم لن تخترق معظم المعادن الكبيرة.

طيران

نظرًا لأن الهليوم أخف من الهواء ، يتم ضخ المناطيد وبالونات الهواء الساخن بهذا الغاز للارتفاع في الهواء. بينما يكون غاز الهيدروجين أكثر تعويمًا ويتخلل الغشاء بمعدل أبطأ ، فإن الهليوم يتميز بكونه غير قابل للاشتعال ومثبط للهب حقًا. هناك استخدام ثانوي للهيليوم في الصواريخ ، حيث يستخدم الهيليوم كوسادة هوائية لتحل محل الوقود والمؤكسدات في صهاريج التخزين ولتكثيف الهيدروجين والأكسجين لصنع وقود الصواريخ. كما أنها تستخدم لتنظيف الوقود والمؤكسد من معدات الدعم الأرضي قبل الإطلاق ولتبريد الهيدروجين السائل مسبقًا على المركبات الفضائية. على سبيل المثال ، تطلب صاروخ Saturn V المستخدم في برنامج Apollo حوالي 370.000 متر مكعب (13 مليون قدم مكعب) من الهيليوم لإطلاقه.

استخدامات تجارية وترفيهية طفيفة

الهليوم كغاز تنفس لا يحتوي على أي خصائص مخدرة ، لذلك تستخدم خلائط الهليوم مثل تريميكس وهليوكس وهلي اير للغوص العميق لتقليل آثار التخدير الذي يتفاقم مع العمق. مع زيادة الضغط في العمق ، تزداد أيضًا كثافة غاز التنفس ، ويقلل الوزن الجزيئي المنخفض للهيليوم بشكل كبير من جهد التنفس ، مما يقلل من كثافة الخليط. هذا يقلل من عدد تدفقات رينولدز ، مما يؤدي إلى تدفق أقل اضطرابا وتدفق أكثر رقائقية ، مما يتطلب عملاً أقل للتنفس. في الأعماق التي تقل عن 150 مترًا (490 قدمًا) ، يبدأ الغواصون الذين يتنفسون بمزيج من الهيليوم والأكسجين في الشعور بالرعشة وانخفاض الوظيفة الحركية ، وهي متلازمة عصبية ناتجة عن زيادة الضغط. إلى حد ما ، يمكن أن تساهم إضافة بعض الغازات المخدرة ، مثل الهيدروجين أو النيتروجين ، إلى خليط الهيليوم والأكسجين في هذا التأثير. ليزر الهليوم-نيون ، وهو نوع من ليزر الغاز ذي الحزمة الحمراء المنخفضة الطاقة ، له تطبيقات عملية متنوعة ، بما في ذلك قارئات الباركود ومؤشرات الليزر ، قبل أن يتم استبدالها عالميًا تقريبًا بأجهزة ليزر ديود أرخص. بسبب خمول وموصلية حرارية عالية ، وشفافية النيوترونات ، ونقص إنتاج النظائر المشعة تحت ظروف المفاعل ، يستخدم الهيليوم كمبرد في بعض المفاعلات النووية المبردة بالغاز. الهيليوم الممزوج بغاز أثقل مثل الزينون مفيد للتبريد الحراري الصوتي بسبب معامل السعة الحرارية العالية الناتج عن معامل السعة الحرارية وانخفاض رقم Prandtl. لثبات الهيليوم فوائد بيئية على أنظمة التبريد التقليدية التي تساهم في استنفاد طبقة الأوزون أو الاحتباس الحراري. يستخدم الهيليوم أيضًا في بعض محركات الأقراص الثابتة.

التطبيقات العلمية

يقلل استخدام الهيليوم من التأثيرات المشوهة للتغيرات في درجات الحرارة في الفراغ بين العدسات في بعض التلسكوبات بسبب معامل الانكسار المنخفض للغاية. تُستخدم هذه الطريقة بشكل خاص في التلسكوبات الشمسية حيث يكون أنبوب التلسكوب المعزول بالفراغ ثقيلًا جدًا. الهليوم هو غاز ناقل يستخدم على نطاق واسع في كروماتوغرافيا الغاز. يمكن تقدير عمر الصخور والمعادن التي تحتوي على اليورانيوم والثوريوم عن طريق قياس مستويات الهيليوم في عملية تُعرف باسم التأريخ بالهيليوم. يستخدم الهيليوم في درجات حرارة منخفضة في درجات الحرارة المنخفضة وفي بعض تطبيقات علم التبريد. كأمثلة لمثل هذه التطبيقات ، يتم استخدام الهيليوم السائل لتبريد معادن معينة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية مطلوبة للموصلية الفائقة ، كما هو الحال في المغناطيسات فائقة التوصيل للتصوير بالرنين المغناطيسي. يستخدم مصادم الهادرونات الكبير في سيرن 96 طنًا متريًا من الهليوم السائل للحفاظ على درجة حرارة 1.9 كلفن.

الاستنشاق والأمان

تأثيرات

الهليوم المحايد غير سام في ظل الظروف القياسية ، ولا يلعب أي دور بيولوجي ، ويوجد بكميات ضئيلة في دم الإنسان. سرعة الصوت في الهيليوم تقارب ثلاثة أضعاف سرعة الصوت في الهواء. نظرًا لأن التردد الأساسي للتجويف المملوء بالغاز يتناسب مع سرعة الصوت في الغاز ، فعند استنشاق الهيليوم ، تكون هناك زيادة مقابلة في الترددات الرنانة للقناة الصوتية. التردد الأساسي (يسمى أحيانًا النغمة) لا يتغير ، كما هو الحال مع الاهتزاز المباشر للطيات الصوتية ، والذي لا يتغير. ومع ذلك ، فإن ترددات الرنين الأعلى تسبب تغيرًا في الجرس ، مما ينتج عنه صوت رقيق يشبه البطة. يمكن الحصول على التأثير المعاكس ، وهو خفض ترددات الرنين ، عن طريق استنشاق غاز كثيف مثل سادس فلوريد الكبريت أو الزينون.

الأخطار

يمكن أن يكون استنشاق الهيليوم الزائد أمرًا خطيرًا لأن الهليوم هو خنق بسيط يزيح الأكسجين اللازم للتنفس الطبيعي. تم الإبلاغ عن حالات وفاة ، بما في ذلك الشباب الذين ماتوا خنقًا في فانكوفر في عام 2003 وشخصين بالغين حتى الموت خنقًا في جنوب فلوريدا في عام 2006. في عام 1998 ، فقدت فتاة أسترالية (عمرها غير معروف) من فيكتوريا وعيها وتحولت إلى اللون الأزرق مؤقتًا بعد استنشاق محتويات خزان الهيليوم بالكامل. يعد استنشاق الهليوم مباشرة من الأسطوانات المضغوطة أو حتى صمامات ملء الأسطوانات أمرًا خطيرًا للغاية ، حيث يمكن أن يؤدي معدل التدفق والضغط المرتفعان إلى الإصابة بالرضح الضغطي ، وهو إصابة مميتة لأنسجة الرئة. الموت الناجم عن الهيليوم أمر نادر الحدوث. كانت أول حالة تم الإبلاغ عنها في وسائل الإعلام هي حالة فتاة تبلغ من العمر 15 عامًا من تكساس توفيت في عام 1998 من استنشاق الهيليوم في حفل صديق. في الولايات المتحدة ، تم الإبلاغ عن حالتي وفاة فقط بين عامي 2000 و 2004 ، بما في ذلك رجل توفي في ولاية كارولينا الشمالية بسبب الرضح الضغطي في عام 2002. اختنق شاب في فانكوفر عام 2003 ، وأصيب رجل يبلغ من العمر 27 عامًا في أستراليا بانسداد بعد استنشاق غاز من اسطوانة عام 2000. منذ ذلك الحين ، مات شخصان بالغان بالاختناق حتى الموت في جنوب فلوريدا في عام 2006 ، وتم الإبلاغ عن عدة حالات في عامي 2009 و 2010 ، واحدة مع شاب من كاليفورنيا تم العثور على كيس فوق رأسه متصل بخزان الهيليوم ، والآخر مع مراهق في الشمال. أيرلندا التي ماتت مختنقا. في إيجل بوينت بولاية أوريغون ، توفيت فتاة مراهقة في عام 2012 بسبب الرضح الضغطي في إحدى الحفلات. ماتت فتاة من ميتشيغان بسبب نقص الأكسجة في نهاية ذلك العام. في 4 فبراير 2015 ، تم الكشف عن أنه في 28 يناير ، أثناء تسجيل البرنامج التلفزيوني لفرقة الفتيات اليابانية 3B Junior ، عانى عضو في المجموعة يبلغ من العمر 12 عامًا (تم الاحتفاظ باسمه سراً) من انسداد ، بعد استنشاق كميات كبيرة من الهيليوم. لم يتم الإعلان عن الحادث حتى الأسبوع التالي. وعقد طاقم تلفزيون أساهي مؤتمرا صحفيا طارئا للإعلان عن نقل الفتاة إلى المستشفى وظهرت عليها علامات إعادة التأهيل مثل حركة العين والأطراف ، لكن وعيها لم يتعاف بعد بشكل كاف. وفتحت الشرطة تحقيقا بسبب إهمال الإجراءات الأمنية. تتشابه قضايا سلامة الهليوم المبرد مع قضايا النيتروجين السائل ؛ يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المنخفضة للغاية إلى حروق باردة ، ويمكن أن تتسبب نسبة تمدد السائل إلى الغاز في حدوث انفجارات ما لم يتم تركيب أجهزة تخفيف الضغط. يجب التعامل مع حاويات غاز الهليوم عند 5-10 كلفن كما لو كانت تحتوي على الهيليوم السائل بسبب التمدد الحراري السريع والكبير الذي يحدث عندما يتم تسخين غاز الهيليوم عند أقل من 10 كلفن إلى درجة حرارة الغرفة. عند الضغط العالي (أكثر من 20 ضغط جوي أو اثنين ميجا باسكال) ، يمكن أن يؤدي مزيج من الهيليوم والأكسجين (الهليوكس) إلى متلازمة عصبية عالية الضغط ، وهو نوع من تأثير التخدير العكسي ؛ قد يؤدي إضافة كمية صغيرة من النيتروجين إلى الخليط إلى تخفيف المشكلة.

: العلامات

قائمة الأدب المستخدم:

Rayet، G. (1868) "Analyse Spectral des protuberances Observes، pendant l" éclipse totale de Soleil visual le 18 août 1868، à la presqu "île de Malacca" (التحليل الطيفي للنواتج التي لوحظت أثناء الكسوف الكلي للشمس ، شوهد في 18 أغسطس 1868 ، من شبه جزيرة ملقا) ، Comptes rendus… ، 67: 757-759. من ص. 758: "... je vis immédiatement une série de neuf lignes brillantes qui ... G. " (... رأيت على الفور سلسلة من تسعة خطوط ساطعة ... بدا لي أنه يجب تصنيفها على أنها الخطوط الرئيسية للطيف الشمسي ، B ، D ، E ، b ، خط غير معروف ، F ، وسطران من المجموعة G.

الهيليوم(lat. helium) ، الرمز He ، عنصر كيميائي من المجموعة الثامنة من النظام الدوري ، يشير إلى غازات خاملة ؛ الرقم التسلسلي 2 ، الكتلة الذرية 4.0026 ؛ غاز عديم اللون والرائحة. يتكون الهيدروجين الطبيعي من نظيرين مستقرين: 3he و 4he (يسود محتوى 4he بشكل حاد).

تم اكتشاف G. لأول مرة ليس على الأرض ، حيث يوجد القليل منها ، ولكن في الغلاف الجوي للشمس. في عام 1868 ، درس الفرنسي ج. يانسن والإنجليزي جيه إن لوكير تكوين البروزات الشمسية باستخدام التحليل الطيفي. احتوت الصور التي تلقوها على خط أصفر لامع (ما يسمى بالخط d3) ، والذي لا يمكن أن يُنسب إلى أي من العناصر المعروفة في ذلك الوقت. في عام 1871 ، أوضح لوكير أصله من خلال وجود عنصر جديد على الشمس ، والذي كان يسمى الهليوم (من اليونانية helios - Sun). تم عزل G. لأول مرة على الأرض في عام 1895 من قبل الإنجليزي دبليو رامزي من معدن cleveite المشع. ظهر نفس الخط في طيف الغاز المنطلق أثناء تسخين الكلفيت.

الهيليوم في الطبيعة. الهيدروجين نادر على الأرض: يحتوي 1 م 3 من الهواء على 5.24 سم 3 فقط من الهيدروجين ، وكل كيلوغرام من المواد الأرضية يحتوي على 0.003 ملغ من الهيدروجين. من حيث الانتشار في الكون ، يحتل الهيدروجين المرتبة الثانية بعد الهيدروجين: يمثل الهيدروجين حوالي 23٪ الكتلة الكونية.

على الأرض ، يتشكل الهيدروجين (بتعبير أدق ، النظير 4he) باستمرار أثناء تحلل اليورانيوم والثوريوم والعناصر المشعة الأخرى (في المجموع ، تحتوي قشرة الأرض على حوالي 29 نظيرًا مشعًا تنتج 4he).

يتركز ما يقرب من نصف الجيولوجيا في القشرة الأرضية ، خاصة في غلافها الجرانيتي ، الذي تراكم الاحتياطيات الرئيسية من العناصر المشعة. محتوى G. في قشرة الأرض صغير - 3 · 10-7٪ بالوزن. يتراكم في تراكمات الغازات الحرة من الأمعاء والزيوت ؛ هذه الودائع تصل إلى نطاق صناعي. تم العثور على التركيزات القصوى للهيدروجين (10-13٪) في تراكمات الغازات الحرة والغازات من مناجم اليورانيوم و (20-25٪) في الغازات المنبعثة بشكل تلقائي من المياه الجوفية. كلما تقدم عمر الصخور الرسوبية الحاملة للغاز وكلما زاد محتوى العناصر المشعة فيها ، زادت كمية الهيدروجين في تكوين الغازات الطبيعية. تتميز الغازات البركانية عادة بمحتوى منخفض من G.

يتم إنتاج الغاز على نطاق صناعي من الغازات الطبيعية والغازات البترولية المكونة من الهيدروكربون والنيتروجين. وفقًا لجودة المواد الخام ، تنقسم رواسب الهيليوم إلى: غنية (محتوى> 0.5٪ من حيث الحجم) ؛ عادي (0.10-0.50) وفقير< 0,10). В СССР природный Г. содержится во многих нефтегазовых месторождениях. Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

في الهيدروكسيد الطبيعي من أي أصل (الغلاف الجوي ، من الغازات الطبيعية ، من المعادن المشعة ، النيزك ، إلخ) ، يسود نظير 4. عادةً ما يكون محتوى 3he منخفضًا (اعتمادًا على مصدر حمض الهيدروكلوريك ، يتراوح من 1.3 × 10-4 إلى 2 × 10-8٪) ، وفقط في الهيدروجين المعزول من النيازك يصل إلى 17-31.5٪. معدل تكوين 4H أثناء الاضمحلال الإشعاعي منخفض: في 1 طن من الجرانيت يحتوي ، على سبيل المثال ، 3 جم من اليورانيوم و 15 جم من الثوريوم ، يتم تكوين 1 مجم من الهيدروجين خلال 7.9 مليون سنة ؛ ومع ذلك ، نظرًا لأن هذه العملية تستمر باستمرار ، خلال عمر الأرض ، يجب أن تضمن أن محتوى الهيدروكسيد في الغلاف الجوي والغلاف الصخري والغلاف المائي أعلى بكثير من الموجود حاليًا (حوالي 5 × 1014 م 3). يفسر هذا النقص في G من خلال التطاير المستمر من الغلاف الجوي. تسقط ذرات الضوء من الجاذبية في الطبقات العليا من الغلاف الجوي ، وتكتسب تدريجياً سرعة أعلى من السرعة الكونية هناك ، وبالتالي تصبح قادرة على التغلب على قوى الجاذبية الأرضية. يؤدي التكوين والتطاير المتزامن لحمض الهيدروكلوريك إلى حقيقة أن تركيزه في الغلاف الجوي ثابت عمليًا.

يتكون النظير 3he ، على وجه الخصوص ، في الغلاف الجوي أثناء تحلل بيتا لنظير الهيدروجين الثقيل - التريتيوم (T) ، والذي ينشأ بدوره أثناء تفاعل نيوترونات الإشعاع الكوني مع نيتروجين الهواء:

نوى ذرة 4he (التي تتكون من 2 بروتون و 2 نيوترون) ، تسمى جسيمات ألفا أو الهيليونات ، هي الأكثر استقرارًا بين نوى المركب. طاقة الارتباط للنيوكليونات (البروتونات والنيوترونات) في 4he لها قيمة قصوى مقارنة بنوى العناصر الأخرى (28.2937 MeV) ؛ لذلك ، فإن تكوين نوى 4he من نوى الهيدروجين (البروتونات) 1H مصحوب بإطلاق كمية هائلة من الطاقة. يُعتقد أن هذا التفاعل النووي: 41h = 4he + 2b + + 2n [في وقت واحد مع 4he ، 2 بوزيترون (ب +) و 2 نيوترينوات (ن)] يعمل كمصدر رئيسي للطاقة للشمس والنجوم الأخرى المماثلة . بفضل هذه العملية ، تتراكم احتياطيات كبيرة جدًا من G.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية . في الظروف العادية ، الغاز هو غاز أحادي الذرة ، عديم اللون والرائحة. الكثافة 0.17846 جم / لتر ، tkip - 268.93 درجة مئوية. G. هو العنصر الوحيد الذي لا يتصلب في الحالة السائلة عند الضغط العادي ، بغض النظر عن مدى عمق تبريده. أقل ضغط لانتقال الجبس السائل إلى صلب 2.5 مليون نيوتن / م 2 (25 صباحًا) ، بينما الصهر هو -272.1 درجة مئوية. الموصلية الحرارية (عند 0 درجة مئوية) 143.8 10-3 واط / سم (ك. يتراوح نصف قطر ذرة G. ، التي تحددها طرق مختلفة ، من 0.85 إلى 1.33. في لتر واحد من الماء عند 20 درجة مئوية ، حوالي 8 8 ml G. طاقة التأين الأولية لـ G. أكبر من طاقة أي عنصر آخر ، 39.38 10-13 J (24.58 eV) ، G. ليس له تقارب إلكتروني.السائل G. ، الذي يتكون فقط من 4he ، يعرض عددًا من الخصائص الفريدة (انظر أدناه).

حتى الآن ، انتهت محاولات الحصول على مركبات كيميائية مستقرة للغاز بالفشل (انظر الغازات الخاملة). تم إثبات وجود أيون he2 + في التفريغ من خلال التحليل الطيفي. في عام 1967 ، أبلغ الباحثون السوفييت ف.ب.بوشين ، إن في.زكورين ، وف.ك.كابيشيف عن تخليق أيونات hef + ، و hef22 + ، و hef2 + في منطقة تصريف القوس بسبب تفاعل الهيدروجين مع الفلور ، bf3 ، أو ruf5. وفقًا للحساب ، تبلغ طاقة تفكك hef + أيون 2.2 فولت.

الاستلام والتطبيق. في الصناعة ، يتم الحصول على الغاز من الغازات الطبيعية المحتوية على الهيليوم (في الوقت الحاضر ، يتم استغلال الرواسب التي تحتوي على> 0.1٪ غاز بشكل أساسي). يتم فصل G. عن الغازات الأخرى بطريقة التبريد العميق ، باستخدام حقيقة أنه من الصعب تسييلها أكثر من جميع الغازات الأخرى.

بسبب خمول الهيدروجين ، يستخدم على نطاق واسع لخلق جو وقائي في صهر المعادن النشطة وقطعها ولحامها. G. أقل موصلة للكهرباء من غاز خامل آخر ، الأرجون ، وبالتالي فإن القوس الكهربائي في الغلاف الجوي لـ G. يعطي درجات حرارة أعلى ، مما يزيد بشكل كبير من سرعة اللحام بالقوس. يتم استخدام الغاز لملء بالونات الستراتوسفير نظرًا لكثافته المنخفضة إلى جانب عدم قابليته للاحتراق. تجعل الموصلية الحرارية العالية للهيدروجين وخامله الكيميائي وقدرته المنخفضة للغاية على الدخول في تفاعل نووي مع النيوترونات من الممكن استخدام الهيدروجين لتبريد المفاعلات الذرية. السائل G. هو أبرد سائل على وجه الأرض ويعمل كمبرد في دراسات علمية مختلفة. تعتمد إحدى طرق تحديد عمرهم المطلق على تحديد محتوى المعادن المشعة في المعادن المشعة (انظر علم الأرض). نظرًا لحقيقة أن الهيدروجين ضعيف الذوبان في الدم ، فإنه يستخدم كجزء لا يتجزأ من الهواء الاصطناعي الذي يوفره الغواصون للتنفس (استبدال النيتروجين بالهيدروجين يمنع حدوث مرض تخفيف الضغط). كما يتم دراسة إمكانيات استخدام الغاز في الغلاف الجوي لكابينة المركبة الفضائية.

S. S. Berdonosov، V. P. Yakutseni.

سائل الهليوم. يؤدي التفاعل الضعيف نسبيًا بين ذرات الهيدروجين إلى حقيقة أنها تظل غازية إلى درجات حرارة أقل من أي غاز آخر. الحد الأقصى لدرجة الحرارة التي يمكن أن يتم تسييلها دونها (درجة الحرارة الحرجة tk) هو 5.20 K. السائل الهيدروجيل هو السائل الوحيد غير المتجمد: عند الضغط العادي (الشكل 1) ، يظل الهيدروجيل سائلاً عند درجات حرارة منخفضة بشكل تعسفي ويتصلب فقط عند. ضغوط تزيد عن 2.5 مليون نيوتن / م 2 (25 صباحًا).

عند درجة حرارة tλ = 2.19 كلفن والضغط العادي ، يخضع الهيدروجيل السائل لانتقال طور من الدرجة الثانية. فوق درجة الحرارة هذه يسمى هو الأول ، أدناه - هو الثاني. عند درجة حرارة انتقال الطور ، لوحظت زيادة غير طبيعية في السعة الحرارية ، وتشابك في منحنى اعتماد درجة الحرارة على كثافة الهدرجة ، وظواهر مميزة أخرى.

في عام 1938 ، اكتشف P. L. Kapitsa السيولة الفائقة في He ii - القدرة على التدفق عمليا بدون لزوجة. شرح إل دي لانداو (1941) هذه الظاهرة على أساس مفاهيم ميكانيكا الكم لطبيعة الحركة الحرارية في السائل الحراري المائي.

في درجات الحرارة المنخفضة ، توصف هذه الحركة على أنها وجود في الديناميكا المائية السائلة للإثارة الأولية - الفونونات (كمات الصوت) مع الطاقة e = hv (v هو تردد الصوت ، h ثابت بلانك) والزخم p = e / c (c = 240 م / ث - سرعة الصوت). يزداد عدد وطاقة الفونونات مع زيادة درجة الحرارة T. عند t> 0.6 كلفن ، تظهر الإثارة ذات الطاقات العالية (الروتونات) ، حيث يكون اعتماد e (p) غير خطي. الفونونات والروتونات لها زخم وبالتالي كتلة. يشار إلى 1 سم ، وهذه الكتلة تحدد كثافة rn لما يسمى. من المكون الطبيعي للسائل G. عند درجات الحرارة المنخفضة ، تميل rn إلى الصفر عند T -> 0. حركة المكون الطبيعي ، مثل تلك الخاصة بالغاز العادي ، لها طابع لزج. ما تبقى من السائل G. ، ما يسمى. مكون سائل فائق ، يتحرك بدون احتكاك ؛ كثافته هي ps = p - pn. عند T -> tλ pn -> pr ، بحيث تختفي السيولة الفائقة عند النقطة وتختفي السيولة الفائقة (ليس أنا سائلًا لزجًا عاديًا).

وبالتالي ، يمكن أن تحدث حركتان بسرعات مختلفة في وقت واحد في السائل G ..

بناءً على هذه الأفكار ، من الممكن شرح عدد من التأثيرات المرصودة: عندما يخرج ثانيًا من وعاء عبر أنبوب شعري ضيق ، ترتفع درجة الحرارة في الوعاء ، حيث هو أساسًا مكون السائل الفائق الذي يتدفق إلى الخارج ولا يحمل معه حرارة (ما يسمى التأثير الميكانيكي) ؛ عندما يتم إنشاء فرق في درجة الحرارة بين نهايات الشعيرات الدموية المغلقة مع He ii ، تحدث حركة فيه (تأثير ميكانيكي حراري) - ينتقل مكون السائل الفائق من الطرف البارد إلى الجزء الساخن ويتحول إلى عنصر طبيعي ، والذي يتحرك نحو ، بينما التدفق الكلي غائب. يمكن أن ينتشر نوعان من الصوت في السائل G. - عادي وما يسمى. الصوت الثاني. عندما ينتشر الصوت الثاني في الأماكن التي يتركز فيها المكون الطبيعي ، فإن مكون السائل الفائق يتخلل.

كل ما سبق ينطبق على الهيدروجين العادي ، والذي يتكون أساسًا من نظير 4he. النظير الأندر 3he له خصائص كمومية مختلفة عن خصائص 4he). السائل 3he هو أيضًا سائل غير متجمد (tk = 3.33 K) ، ولكنه ليس سائلًا فائقًا: تزداد لزوجة 3he إلى أجل غير مسمى مع انخفاض درجة الحرارة.

مضاءة: Keezom V.، Helium، trans. من الإنجليزية ، M. ، 1949 ؛ Fastovsky V. G.، Rovinsky A. E. E.، Petrovsky Yu. V.، Inert gases، M.، 1964؛ خالاتنيكوف آي إم ، مقدمة في نظرية السيولة الفائضة ، موسكو ، 1965 ؛ سميرنوف يو ن. ، الهيليوم بالقرب من الصفر المطلق ، "الطبيعة" ، 1967 ، رقم 10 ، ص. 70 ؛ Yakutseni، V.P.، Helium Geology، Leningrad، 1968. انظر أيضًا lit. للفن. الغازات الخاملة.

هيليوم ، هو (لات. هيليوم ، من اليونانية. هيليوس - الشمس ، منذ اكتشافها لأول مرة في الطيف الشمسي * أ. هيليوم ؛ ن. هيليوم ؛ و. هيليوم ؛ و. هيليو) ، - عنصر من المجموعة الثامنة من نظام مندليف الدوري ، يشير إلى الغازات الخاملة ، العدد الذري 2 ، الكتلة الذرية 4.0026. يتكون الهيليوم الطبيعي من نظيرين مستقرين 3 He و 4 He. تم اكتشافه في عام 1868 من قبل عالم الفلك الفرنسي J. Jansen والفلكي الإنجليزي J.N Lockyer خلال دراسة طيفية للبروز الشمسي. تم عزل الهيليوم لأول مرة في عام 1895 من قبل الفيزيائي الإنجليزي دبليو رامزي من معدن cleveite المشع.

خصائص الهليوم

في ظل الظروف العادية ، يكون الهيليوم غازًا عديم اللون والرائحة. 0.178 كجم / م 3 ، الغليان - 268.93 درجة مئوية. الهليوم هو العنصر الوحيد الذي لا يتصلب في حالة سائلة عند الضغط العادي ، بغض النظر عن مدى عمق تبريده. في عام 1938 ، اكتشف الفيزيائي السوفيتي ب. أقل ضغط مطلوب لنقل الهيليوم السائل إلى صلب هو 2.5 ميجا باسكال ، بينما الذوبان هو 272.1 درجة مئوية. (عند 0 درجة مئوية) 2.1.10 -2 واط / مللي كلفن يتكون جزيء الهليوم من ذرة واحدة ، نصف قطرها من 0.085 (صافي) إلى 0.133 نانومتر (فان دير فال) (0.85-1.33 هـ) ، حوالي 8.8 مل من الهيليوم يذوب في 1 لتر من الماء عند 20 درجة مئوية. لم يتم الحصول على الهيليوم.

الهيليوم في الطبيعة

من حيث الانتشار في الكون ، يحتل الهيليوم المرتبة الثانية بعده. يوجد القليل من الهيليوم على الأرض: يحتوي 1 م 3 من الهواء على 5.24 سم 3 من الهيليوم ، ومتوسط ​​المحتوى هو 3.10 -7٪. هناك 3 مكونات وراثية للهيليوم في الغلاف الصخري الستراتالي - هيليوم إشعاعي ، بدائي وجوي. يتشكل الهليوم المشع في كل مكان أثناء التحولات المشعة للعناصر الثقيلة والتفاعلات النووية المختلفة ، يدخل الهيليوم البدائي الغلاف الصخري من الصخور العميقة التي أغلقت الهيليوم البدائي وحافظت عليه منذ تكوين الكوكب ، ومن الفضاء جنبًا إلى جنب مع الغبار الكوني والنيازك ، إلخ. يدخل الهيليوم الجوي هطول الأمطار من الهواء ، أثناء عمليات تكوين الرواسب ، وكذلك مع المياه السطحية المتسربة.

قيمة النسبة 3 He / 4 He في الهليوم المشع هي n.1.4.10 -6. يهيمن نظير 4 He تمامًا على الهيليوم الأرضي. تم تشكيل الكمية الرئيسية البالغة 4 أثناء تحلل العناصر المشعة الطبيعية (النظائر المشعة ، الأكتينورانيوم و). المصادر غير المهمة لتكوين 4 He و 3 He في الغلاف الصخري هي التفاعلات النووية (الانشطار النيوتروني لليثيوم ، وما إلى ذلك) ، واضمحلال التريتيوم ، إلخ. الإشعاعي 4 He 3 He / 4 He = (2 ± 1) .10 -8. تتميز قشرة الأرض المضطربة تكتونياً (مناطق الصدع ، الصدوع العميقة ، الأجهزة البركانية ، مع النشاط التكتونومي أو الزلزالي ، إلخ) بزيادة مقدارها 3 He 3 He / 4 He = 10 -5. بالنسبة للهياكل الجيولوجية الأخرى ، فإن نسبة 3 He / 4 He في غازات وسوائل المكمن تختلف في حدود 10 -8 -10 -7. يعد الاختلاف في نسب نظائر الهيليوم 3He / 4He في الهليوم الوشاح والقشرة مؤشرًا على العلاقة الحالية بين السوائل العميقة والعباءة. بسبب خفة ، خمول ، ونفاذية عالية للهليوم ، فإن معظم المكونات الصخرية لا تحتفظ به ، ويهاجر الهيليوم من خلال مساحات الشقوق ومسام الصخور ، ويذوب في السوائل التي تملأها ، وأحيانًا بعيدًا عن التكوين الرئيسي المناطق.

الهيليوم هو شوائب إلزامية في جميع الغازات التي تشكل تراكمات مستقلة في قشرة الأرض أو تخرج في شكل نفاثات غاز طبيعي. عادة الهيليوم هو خليط غير مهم مع الغازات الأخرى. في حالات نادرة ، تصل قيمتها إلى عدة٪ (بالحجم) ؛ تم العثور على التركيزات القصوى من الهيليوم في تراكمات الغازات الجوفية (8-10٪) وغازات اليورانيوم (10-13٪) والغازات المذابة في الماء (18-20٪).

الحصول على الهيليوم

في الصناعة ، يتم الحصول على الهيليوم من الغازات المحتوية على الهيليوم عن طريق التبريد العميق (حتى -190 درجة مئوية) ، كمية صغيرة - أثناء تشغيل محطات فصل الهواء. في هذه الحالة ، يتم تكثيف مكونات الغاز الرئيسية (مجمدة) ، ويتم تنقية تركيز الهليوم المتبقي من الهيدروجين و. كما يجري تطوير طرق منتشرة لاستخراج الهيليوم.

نقل وتخزين الهليوم - في حاويات محكمة الغلق. يُنقل الهيليوم من الدرجة الأولى والثانية عادةً في أسطوانات فولاذية بسعات مختلفة ، تصل عادةً إلى 40 لترًا ، تحت ضغط يصل إلى 15 ميجا باسكال. يتم أيضًا ترتيب مخازن الهيليوم في غرف الملح تحت الأرض ، ويتم تخزين الهيليوم الخام (حوالي 60٪ هو و 40٪ N 2) في هياكل الغاز المستنفدة تحت الأرض. على مسافات طويلة ، يتم توفير الهيليوم في شكل سائل مضغوط باستخدام مركبات مجهزة خصيصًا ، وكذلك عن طريق خطوط أنابيب الغاز (على سبيل المثال ، في الولايات المتحدة الأمريكية).

استخدام الهيليوم

يعتمد استخدام الهيليوم على خصائصه الفريدة مثل الخمول التام (اللحام في جو الهيليوم ، وإنتاج مواد عالية النقاء وأشباه الموصلات ، ومواد مضافة في مخاليط التنفس ، وما إلى ذلك) ، ونفاذية عالية (كاشفات التسرب في أجهزة الضغط العالي والمنخفض). الهيليوم هو العنصر الكيميائي الوحيد الذي يجعل من الممكن الحصول على درجات حرارة منخفضة للغاية ضرورية لجميع أنواع الأنظمة والتركيبات فائقة التوصيل (الطاقة المبردة). السائل الهيليوم هو مبرد في البحث العلمي.

الهليوم عنصر كيميائي برقم ذري 2 في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية D.I. مندليف. الصيغة الكيميائية He. الهليوم غاز خامل ، عديم اللون والرائحة.

الهيليوم شائع جدًا في الكون. تحتل المرتبة الثانية بعد الهيدروجين. لكن هناك القليل من الهيليوم على الأرض.

الهليوم لا يتفاعل مع أي عنصر كيميائي. لا تتصل ذراتها ببعضها البعض. الهليوم لا يحترق.

اكتشاف الهيليوم

تم اكتشاف الهيليوم في عام 1868 خلال كسوف الشمس. علاوة على ذلك ، تم هذا الاكتشاف في وقت واحد من قبل اثنين من علماء الفلك - الفرنسي بيير جول يانسن والإنجليزي جوزيف نورمان لوكير. في طيف الإكليل الشمسي ، اكتشف كلاهما بشكل مستقل خطًا أصفر لا ينتمي إلى أي من العناصر المعروفة في ذلك الوقت. اقترح لوكير في عام 1871 وجود عنصر كيميائي جديد على الشمس. وفي عام 1895 قام الكيميائي الاسكتلندي ويليام رامزي بعزل الغاز أولاً من الكليفايت المعدني المشع. كان نفس الخط الأصفر بالضبط موجودًا في طيف هذا الغاز. تم إعطاء العنصر الجديد اسمًاهيليوس هي الشمس.

الحصول على الهيليوم

يتم الحصول على الهيليوم من الغازات الحاملة للهيليوم الطبيعي عن طريق التبريد العميق. يتم استخراج الهيليوم على مرحلتين. المرحلة الأولى هي إنتاج مركز الهيليوم بالتكثيف عند درجة حرارة منخفضة. والمرحلة الثانية هي تنقية تركيز الهيليوم من الميثان والهيدروجين والنيتروجين والنيون والأرجون.

تقع جميع احتياطيات الهليوم العالمية الرئيسية في الجزائر وقطر والولايات المتحدة الأمريكية وروسيا. أكبر منتج للهيليوم هي الولايات المتحدة الأمريكية. يتم إنتاج القليل من الهيليوم في روسيا ، حيث توجد رواسبه الرئيسية في الحقول قليلة التطور في الشرق الأقصى وشرق سيبيريا.

تطبيق الهيليوم

الهليوم لديه موصلية كهربائية وحرارية عالية. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي على درجة غليان منخفضة جدًا ، ناقص 268.94 درجة مئوية.

نطاق الهليوم واسع جدا.

يستخدم مزيج من غاز الهليوم مع الأكسجين لتخفيف نوبات الربو. الهليوم أقل ذوبانًا في الدم من النيتروجين. لذلك ، يتم استخدامه في مخاليط التنفس التي يتم توفيرها للغواصين أثناء الغوص في أعماق البحار لخلق جو اصطناعي للمركبات الفضائية والمحطات.

لا يمكن تنفيذ العديد من العمليات التكنولوجية في الإنتاج في بيئة الهواء بسبب إمكانية التفاعل مع غازات الهواء من المواد الأولية أو المنتج الناتج ، وهنا يأتي الهيليوم الغازي للإنقاذ ، بمساعدة يتم إنشاء بيئات حماية خاصة.

تحدث مراحل منفصلة للحصول على الوقود النووي في بيئة واقية من الهيليوم. كما يتم نقل عناصر وقود المفاعلات النووية وتخزينها في حاويات مليئة بالهلام. يستخدم الهيليوم لاكتشاف التسريبات في المفاعلات النووية. يستخدم الهيليوم في موازين حرارة الغاز ، ومفاتيح الجهد العالي ، وعدادات النيوترونات ، ولتشحيم الغاز للمحامل.

كوسيط خامل ، يستخدم الهيليوم في لحام القوس.

تمتلئ المناطيد والبالونات بالهيليوم.

الهليوم غير سام. واستنشاق كمية صغيرة من الهيليوم مع الهواء غير ضار.