الهيليوم: الخصائص والخصائص والتطبيقات

2024 مؤلف: Angel Austin | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-02 17:40

الهيليوم غاز خامل من المجموعة الثامنة عشر بالجدول الدوري. إنه ثاني أخف عنصر بعد الهيدروجين. الهيليوم غاز عديم اللون والرائحة والمذاق يتحول إلى سائل عند درجة حرارة -268.9 درجة مئوية. نقاط غليانها وتجميدها أقل من تلك الموجودة في أي مادة أخرى معروفة. إنه العنصر الوحيد الذي لا يتجمد عند تبريده عند الضغط الجوي العادي. يستغرق 25 جوًا عند 1 كلفن حتى يصلب الهيليوم.

تاريخ الاكتشاف

تم اكتشاف الهيليوم في الغلاف الجوي الغازي المحيط بالشمس من قبل عالم الفلك الفرنسي بيير يانسن ، الذي اكتشف في عام 1868 أثناء الكسوف خطًا أصفر لامعًا في طيف الكروموسفير الشمسي. كان يعتقد في الأصل أن هذا الخط يمثل عنصر الصوديوم. في نفس العام ، لاحظ عالم الفلك الإنجليزي جوزيف نورمان لوكير وجود خط أصفر في الطيف الشمسي لا يتوافق مع خطوط الصوديوم المعروفة D₁و D_{2 ، ولذا أطلق على خطها D}3_{. خلص لوكير إلى أن سبب ذلك هو مادة في الشمس غير معروفة على الأرض. استخدم هو والكيميائي إدوارد فرانكلاند اسم العنصرالاسم اليوناني للشمس هيليوس.}

في عام 1895 ، أثبت الكيميائي البريطاني السير ويليام رامزي وجود الهيليوم على الأرض. حصل على عينة من معدن الكليفايت الحامل لليورانيوم ، وبعد فحص الغازات المتكونة عند تسخينه ، وجد أن الخط الأصفر اللامع في الطيف يتزامن مع خط D_{3الذي لوحظ في طيف الشمس. وهكذا ، تم تثبيت العنصر الجديد أخيرًا. في عام 1903 ، قرر رامزي وفريدريك سودو أن الهليوم هو نتاج اضمحلال تلقائي للمواد المشعة.}

منتشر في الطبيعة

تشكل كتلة الهليوم حوالي 23٪ من الكتلة الكلية للكون ، والعنصر هو ثاني أكثر العناصر وفرة في الفضاء. يتركز في النجوم حيث يتكون من الهيدروجين نتيجة اندماج نووي حراري. على الرغم من وجود الهيليوم في الغلاف الجوي للأرض بتركيز جزء واحد لكل 200 ألف (5 جزء في المليون) وموجود بكميات صغيرة في المعادن المشعة وحديد النيزك والينابيع المعدنية ، توجد كميات كبيرة من العنصر في الولايات المتحدة (خاصة في تكساس ونيويورك) المكسيك وكنساس وأوكلاهوما وأريزونا ويوتا) كمكوِّن (يصل إلى 7.6٪) من الغاز الطبيعي. تم العثور على احتياطيات صغيرة في أستراليا والجزائر وبولندا وقطر وروسيا. في قشرة الأرض ، يبلغ تركيز الهيليوم حوالي 8 جزء في البليون فقط.

النظائر

تحتوي نواة كل ذرة هيليوم على بروتونين ، ولكن مثل العناصر الأخرى ، لها نظائر. تحتوي على واحد إلى ستة نيوترونات ، لذا فإن أعداد كتلتها تتراوح من ثلاثة إلى ثمانية.العناصر المستقرة هي العناصر التي يتم تحديد كتلة الهيليوم الخاصة بها بواسطة الأعداد الذرية 3 (³He) و 4 (⁴He). كل ما تبقى مشعة وتتحلل بسرعة كبيرة إلى مواد أخرى. الهليوم الأرضي ليس المكون الأصلي للكوكب ، لقد تشكل نتيجة الاضمحلال الإشعاعي. جسيمات ألفا المنبعثة من نوى المواد المشعة الثقيلة هي نوى النظير⁴He. لا يتراكم الهيليوم بكميات كبيرة في الغلاف الجوي لأن جاذبية الأرض ليست قوية بما يكفي لمنعه من الهروب تدريجيًا إلى الفضاء. يتم شرح آثار³هو على الأرض من خلال اضمحلال بيتا السلبي للعنصر النادر الهيدروجين 3 (التريتيوم).⁴هو الأكثر وفرة من النظائر المستقرة: نسبة⁴ذراته إلى^{3هو حوالي 700 ألف إلى 1 في الغلاف الجوي وحوالي 7 مليون إلى 1 في بعض المعادن المحتوية على الهيليوم.}

الخصائص الفيزيائية للهيليوم

درجة غليان وانصهار هذا العنصر هي الأدنى. لهذا السبب ، يوجد الهيليوم كغاز ، إلا في ظل الظروف القاسية. غازي يذوب في الماء أقل من أي غاز آخر ، ومعدل الانتشار عبر المواد الصلبة هو ثلاثة أضعاف الهواء. معامل انكساره أقرب إلى 1.

الموصلية الحرارية للهيليوم تأتي في المرتبة الثانية بعد الهيدروجين ، وقدرته الحرارية المحددة عالية بشكل غير عادي. في درجات الحرارة العادية ، يسخن أثناء التمدد ، ويبرد إلى أقل من 40 كلفن. لذلك ، عند T<40 K ، يمكن تحويل الهيليوم إلىالسائل بالتوسع.

العنصر هو عازل إذا لم يكن في حالة تأين. مثل الغازات النبيلة الأخرى ، يمتلك الهيليوم مستويات طاقة ثابتة تسمح له بالبقاء متأينًا في التفريغ الكهربائي عندما يظل الجهد أقل من جهد التأين.

الهليوم 4 فريد من نوعه لأنه يحتوي على شكلين سائلين. يطلق على العادي اسم الهيليوم I ويتواجد في درجات حرارة تتراوح من 4.21 كلفن (-268.9 درجة مئوية) إلى حوالي 2.18 كلفن (-271 درجة مئوية). أقل من 2.18 كلفن ، الموصلية الحرارية4تصبح 1000 مرة من النحاس. يسمى هذا النموذج بالهيليوم II لتمييزه عن الشكل الطبيعي. إنه سائل فائق: اللزوجة منخفضة للغاية بحيث لا يمكن قياسها. ينتشر الهيليوم II في غشاء رقيق على سطح أي شيء يلمسه ، ويتدفق هذا الفيلم دون احتكاك حتى مع الجاذبية.

يشكل الهليوم 3 الأقل وفرة ثلاث مراحل سائلة مميزة ، اثنتان منها مائعتان. السيولة الفائقة في⁴اكتشفه الفيزيائي السوفيتي بيوتر ليونيدوفيتش كابيتسا في منتصف الثلاثينيات ، ونفس الظاهرة في^{3لاحظه لأول مرة من قبل دوغلاس دي أوشيروف وديفيد إم لي وروبرت س.ريتشاردسون من الولايات المتحدة في عام 1972.}

خليط سائل من نظيري الهليوم -3 و -4 عند درجات حرارة أقل من 0.8 كلفن (-272.4 درجة مئوية) مقسم إلى طبقتين - نقيان تقريبًا³هو و خليط من⁴هو مع 6٪ هيليوم -3. انحلال³هو في^{4مصحوبًا بتأثير التبريد ، والذي يستخدم في تصميم كريوستات ، حيث تنخفض درجة حرارة الهيليومأقل من 0.01 كلفن (-273.14 درجة مئوية) وبقيت هناك لعدة أيام.}

اتصالات

في ظل الظروف العادية ، يكون الهيليوم خامل كيميائيا. في الظروف القاسية ، يمكنك إنشاء اتصالات عنصر غير مستقرة في درجات الحرارة والضغوط العادية. على سبيل المثال ، يمكن أن يشكل الهيليوم مركبات بها اليود والتنغستن والفلور والفوسفور والكبريت عند تعرضه لتفريغ توهج كهربائي عند قصفه بالإلكترونات أو في حالة البلازما. وهكذا ، تم إنشاء HeNe و HgHe₁₀و WHe₂وهو₂+^{، ليس}2++^{، HeH}+^{و HeD+}. أتاحت هذه التقنية أيضًا الحصول على جزيئات محايدة He²و HgHe.

بلازما

في الكون ، يتم توزيع الهيليوم المتأين في الغالب ، وتختلف خصائصه بشكل كبير عن الخصائص الجزيئية. إلكتروناتها وبروتوناتها غير مرتبطة ، ولديها موصلية كهربائية عالية جدًا حتى في حالة التأين جزئيًا. تتأثر الجسيمات المشحونة بشدة بالمجالات المغناطيسية والكهربائية. على سبيل المثال ، في الرياح الشمسية ، تتفاعل أيونات الهيليوم مع الهيدروجين المتأين مع الغلاف المغناطيسي للأرض ، مما يتسبب في حدوث الشفق القطبي.

اكتشاف الولايات المتحدة

بعد حفر بئر عام 1903 ، تم الحصول على غاز غير قابل للاشتعال في دكستر ، كانساس. في البداية ، لم يكن معروفًا أنه يحتوي على الهيليوم. تم تحديد نوع الغاز الذي تم العثور عليه من قبل جيولوجي الولاية إيراسموس هاورث ، الذيتم جمع عينات منه وفي جامعة كانساس بمساعدة الكيميائيين كادي هاميلتون وديفيد ماكفارلاند وجدوا أنه يحتوي على 72٪ نيتروجين و 15٪ ميثان و 1٪ هيدروجين و 12٪ لم يتم التعرف عليها. بعد مزيد من التحليل ، وجد العلماء أن 1.84٪ من العينة كانت من الهيليوم. لذلك علموا أن هذا العنصر الكيميائي موجود بكميات ضخمة في أحشاء السهول الكبرى ، حيث يمكن استخراجه من الغاز الطبيعي.

الإنتاج الصناعي

هذا جعل الولايات المتحدة رائدة العالم في إنتاج الهليوم. بناءً على اقتراح السير ريتشارد ثريلفال ، مولت البحرية الأمريكية ثلاثة مصانع تجريبية صغيرة لإنتاج هذه المادة خلال الحرب العالمية الأولى لتزويد بالونات وابل بغاز رفع خفيف غير قابل للاشتعال. أنتج البرنامج ما مجموعه 5700 م392٪ هو ، على الرغم من أنه تم إنتاج أقل من 100 لتر من الغاز سابقًا. تم استخدام بعض من هذا المجلد في أول منطاد هيليوم في العالم ، البحرية الأمريكية C-7 ، والتي قامت برحلتها الأولى من هامبتون رودز ، فيرجينيا إلى بولينج فيلد ، واشنطن العاصمة في 7 ديسمبر 1921.

على الرغم من أن عملية تسييل الغاز ذات درجة الحرارة المنخفضة لم تكن متقدمة بما يكفي في ذلك الوقت لتكون مهمة خلال الحرب العالمية الأولى ، استمر الإنتاج. تم استخدام الهيليوم بشكل رئيسي كغاز رفع في الطائرات. نما الطلب عليها خلال الحرب العالمية الثانية ، عندما تم استخدامها في اللحام بالقوس المحمي. كان العنصر مهمًا أيضًا في مشروع القنبلة الذرية.مانهاتن.

الأسهم الوطنية الأمريكية

في عام 1925 ، أنشأت حكومة الولايات المتحدة محمية الهيليوم الوطنية في أماريلو ، تكساس ، لغرض توفير المناطيد العسكرية في أوقات الحرب والمناطيد التجارية في أوقات السلم. انخفض استخدام الغاز بعد الحرب العالمية الثانية ، ولكن تم زيادة العرض في الخمسينيات من القرن الماضي لتوفير ، من بين أمور أخرى ، إمداداته كمبرد يستخدم في إنتاج وقود صواريخ أوكسي الهيدروجين خلال سباق الفضاء والحرب الباردة. كان استخدام الهليوم في الولايات المتحدة في عام 1965 ثمانية أضعاف ذروة استهلاكه في زمن الحرب.

بعد قانون الهيليوم لعام 1960 ، تعاقد مكتب المناجم مع 5 شركات خاصة لاستخراج العنصر من الغاز الطبيعي. بالنسبة لهذا البرنامج ، تم بناء خط أنابيب غاز بطول 425 كيلومترًا يربط هذه المحطات بحقل غاز حكومي مستنفد جزئيًا بالقرب من أماريلو ، تكساس. تم ضخ خليط الهيليوم-النيتروجين في منشأة تخزين تحت الأرض وبقي هناك لحين الحاجة.

بحلول عام 1995 ، تم جمع مليار متر مكعب من المخزون وكان الاحتياطي الوطني ديونًا بقيمة 1.4 مليار دولار ، مما دفع الكونجرس الأمريكي إلى التخلص التدريجي منه في عام 1996. بعد تمرير قانون خصخصة الهليوم في عام 1996 ، بدأت وزارة الموارد الطبيعية في تصفية منشأة التخزين في عام 2005.

النقاء وحجم الإنتاج

الهيليوم المنتج قبل عام 1945 كان نقاءه حوالي 98٪ ، والباقي 2٪تمثل النيتروجين ، والذي كان كافيا للمنطاد. في عام 1945 ، تم إنتاج كمية صغيرة من الغاز بنسبة 99.9 في المائة لاستخدامها في اللحام بالقوس الكهربائي. بحلول عام 1949 ، وصلت درجة نقاء العنصر الناتج إلى 99.995٪

لسنوات عديدة ، أنتجت الولايات المتحدة أكثر من 90٪ من الهليوم التجاري في العالم. منذ عام 2004 ، أنتجت 140 مليون متر مكعب سنويًا ، 85٪ منها تأتي من الولايات المتحدة ، و 10٪ من الجزائر ، والباقي من روسيا وبولندا. المصادر الرئيسية للهيليوم في العالم هي حقول الغاز في تكساس وأوكلاهوما وكانساس.

عملية الاستلام

الهيليوم (98.2٪ نقاء) يُستخرج من الغاز الطبيعي عن طريق تسييل المكونات الأخرى في درجات حرارة منخفضة وضغوط عالية. يحقق امتصاص الغازات الأخرى بواسطة الكربون المنشط المبرد درجة نقاء 99.995٪. يتم إنتاج كمية صغيرة من الهيليوم عن طريق تسييل الهواء على نطاق واسع. يمكن الحصول على حوالي 3.17 متر مكعب من 900 طن من الهواء. متر من الغاز.

مجالات التطبيق

تم استخدام الغازات النبيلة في مختلف المجالات.

الهيليوم ، الذي تتيح خصائصه إمكانية الحصول على درجات حرارة منخفضة للغاية ، يُستخدم كعامل تبريد في مصادم الهادرون الكبير ، ومغناطيس فائق التوصيل في آلات التصوير بالرنين المغناطيسي ، ومقاييس الطيف بالرنين المغناطيسي النووي ، ومعدات الأقمار الصناعية ، وأيضًا لتسييل الأكسجين والهيدروجين في صواريخ أبولو.
كغاز خامل لحام الألمنيوم والمعادن الأخرى ، في إنتاج الألياف البصرية وأشباه الموصلات.
لإنشاءالضغط في خزانات الوقود لمحركات الصواريخ ، خاصة تلك التي تعمل بالهيدروجين السائل ، حيث يحتفظ الهيليوم الغازي فقط بحالة التجميع عندما يظل الهيدروجين سائلاً) ؛
يتم استخدام ليزر الغاز He-Ne لمسح الرموز الشريطية عند الخروج من السوبر ماركت.
ينتج مجهر الهليوم أيون صورًا أفضل من المجهر الإلكتروني.
بسبب نفاذية عالية ، يتم استخدام الغاز النبيل للتحقق من وجود تسربات في ، على سبيل المثال ، أنظمة تكييف الهواء في السيارة ، ولنفخ الوسائد الهوائية بسرعة في حالة وقوع حادث.
تسمح لك الكثافة المنخفضة بملء البالونات الزخرفية بالهيليوم. حل الغاز الخامل محل الهيدروجين المتفجر في المناطيد والبالونات. على سبيل المثال ، في الأرصاد الجوية ، تُستخدم بالونات الهيليوم لرفع أدوات القياس.
في التكنولوجيا المبردة ، يعمل كمبرد ، لأن درجة حرارة هذا العنصر الكيميائي في الحالة السائلة هي أدنى درجة ممكنة.
الهيليوم ، الذي توفر له خصائصه تفاعلية منخفضة وقابلية للذوبان في الماء (والدم) ، ممزوجًا بالأكسجين ، قد وجد تطبيقًا في تركيبات التنفس لغوص السكوبا وعمل الغواص.
يتم تحليل النيازك والصخور لهذا العنصر لتحديد عمرها