هيليوم

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
ليثيومهيليومهيدروجين
-

He

Ne
Element 1: هيدروجين (H), لا فلز
Element 2: هيليوم (He), غاز نبيل
Element 3: ليثيوم (Li), فلز قلوي
Element 4: بيريليوم (Be), فلز قلوي ترابي
Element 5: بورون (B), شبه فلز
Element 6: كربون (C), لا فلز
Element 7: نيتروجين (N), لا فلز
Element 8: أكسجين (O), لا فلز
Element 9: فلور (F), هالوجين
Element 10: نيون (Ne), غاز نبيل
Element 11: صوديوم (Na), فلز قلوي
Element 12: مغنسيوم (Mg), فلز قلوي ترابي
Element 13: ألومنيوم (Al), فلز ضعيف
Element 14: سليكون (Si), شبه فلز
Element 15: فسفور (P), لا فلز
Element 16: كبريت (S), لا فلز
Element 17: كلور (Cl), هالوجين
Element 18: أرغون (Ar), غاز نبيل
Element 19: بوتاسيوم (K), فلز قلوي
Element 20: كالسيوم (Ca), فلز قلوي ترابي
Element 21: سكانديوم (Sc), فلز انتقالي
Element 22: تيتانيوم (Ti), فلز انتقالي
Element 23: فاناديوم (V), فلز انتقالي
Element 24: كروم (Cr), فلز انتقالي
Element 25: منغنيز (Mn), فلز انتقالي
Element 26: حديد (Fe), فلز انتقالي
Element 27: كوبالت (Co), فلز انتقالي
Element 28: نيكل (Ni), فلز انتقالي
Element 29: نحاس (Cu), فلز انتقالي
Element 30: زنك (Zn), فلز انتقالي
Element 31: غاليوم (Ga), فلز ضعيف
Element 32: جرمانيوم (Ge), شبه فلز
Element 33: زرنيخ (As), شبه فلز
Element 34: سيلينيوم (Se), لا فلز
Element 35: بروم (Br), هالوجين
Element 36: كريبتون (Kr), غاز نبيل
Element 37: روبيديوم (Rb), فلز قلوي
Element 38: سترونشيوم (Sr), فلز قلوي ترابي
Element 39: إتريوم (Y), فلز انتقالي
Element 40: زركونيوم (Zr), فلز انتقالي
Element 41: نيوبيوم (Nb), فلز انتقالي
Element 42: موليبدنوم (Mo), فلز انتقالي
Element 43: تكنيشيوم (Tc), فلز انتقالي
Element 44: روثينيوم (Ru), فلز انتقالي
Element 45: روديوم (Rh), فلز انتقالي
Element 46: بالاديوم (Pd), فلز انتقالي
Element 47: فضة (Ag), فلز انتقالي
Element 48: كادميوم (Cd), فلز انتقالي
Element 49: إنديوم (In), فلز ضعيف
Element 50: قصدير (Sn), فلز ضعيف
Element 51: إثمد (Sb), شبه فلز
Element 52: تيلوريوم (Te), شبه فلز
Element 53: يود (I), هالوجين
Element 54: زينون (Xe), غاز نبيل
Element 55: سيزيوم (Cs), فلز قلوي
Element 56: باريوم (Ba), فلز قلوي ترابي
Element 57: لانثانوم (La), لانثانيدات
Element 58: سيريوم (Ce), لانثانيدات
Element 59: براسوديميوم (Pr), لانثانيدات
Element 60: نيوديميوم (Nd), لانثانيدات
Element 61: بروميثيوم (Pm), لانثانيدات
Element 62: ساماريوم (Sm), لانثانيدات
Element 63: يوروبيوم (Eu), لانثانيدات
Element 64: غادولينيوم (Gd), لانثانيدات
Element 65: تربيوم (Tb), لانثانيدات
Element 66: ديسبروسيوم (Dy), لانثانيدات
Element 67: هولميوم (Ho), لانثانيدات
Element 68: إربيوم (Er), لانثانيدات
Element 69: ثوليوم (Tm), لانثانيدات
Element 70: إتيربيوم (Yb), لانثانيدات
Element 71: لوتيشيوم (Lu), لانثانيدات
Element 72: هافنيوم (Hf), فلز انتقالي
Element 73: تانتالوم (Ta), فلز انتقالي
Element 74: تنجستن (W), فلز انتقالي
Element 75: رينيوم (Re), فلز انتقالي
Element 76: أوزميوم (Os), فلز انتقالي
Element 77: إريديوم (Ir), فلز انتقالي
Element 78: بلاتين (Pt), فلز انتقالي
Element 79: ذهب (Au), فلز انتقالي
Element 80: زئبق (Hg), فلز انتقالي
Element 81: ثاليوم (Tl), فلز ضعيف
Element 82: رصاص (Pb), فلز ضعيف
Element 83: بزموت (Bi), فلز ضعيف
Element 84: بولونيوم (Po), شبه فلز
Element 85: أستاتين (At), هالوجين
Element 86: رادون (Rn), غاز نبيل
Element 87: فرانسيوم (Fr), فلز قلوي
Element 88: راديوم (Ra), فلز قلوي ترابي
Element 89: أكتينيوم (Ac), أكتينيدات
Element 90: ثوريوم (Th), أكتينيدات
Element 91: بروتكتينيوم (Pa), أكتينيدات
Element 92: يورانيوم (U), أكتينيدات
Element 93: نبتونيوم (Np), أكتينيدات
Element 94: بلوتونيوم (Pu), أكتينيدات
Element 95: أمريسيوم (Am), أكتينيدات
Element 96: كوريوم (Cm), أكتينيدات
Element 97: بركيليوم (Bk), أكتينيدات
Element 98: كاليفورنيوم (Cf), أكتينيدات
Element 99: أينشتاينيوم (Es), أكتينيدات
Element 100: فرميوم (Fm), أكتينيدات
Element 101: مندليفيوم (Md), أكتينيدات
Element 102: نوبليوم (No), أكتينيدات
Element 103: لورنسيوم (Lr), أكتينيدات
Element 104: رذرفورديوم (Rf), فلز انتقالي
Element 105: دوبنيوم (Db), فلز انتقالي
Element 106: سيبورغيوم (Sg), فلز انتقالي
Element 107: بوريوم (Bh), فلز انتقالي
Element 108: هاسيوم (Hs), فلز انتقالي
Element 109: مايتنريوم (Mt), فلز انتقالي
Element 110: دارمشتاتيوم (Ds), فلز انتقالي
Element 111: رونتجينيوم (Rg), فلز انتقالي
Element 112: كوبرنيسيوم (Cn), فلز انتقالي
Element 113: أنون تريوم (Uut)
Element 114: فليروفيوم (Uuq)
Element 115: أنون بينتيوم (Uup)
Element 116: أنون هيكسيوم (Uuh)
Element 117: أنون سيبتيوم (Uus)
Element 118: أنون أوكتيوم (Uuo)
2He
المظهر
غاز عديم اللون ذو وميض أرجواني في حالة البلازما


الخطوط الطيقية للهيليوم
الخصائص العامة
الاسم، العدد، الرمز هيليوم، 2، He
تصنيف العنصر غاز نبيل
المجموعة، الدورة، المستوى الفرعي 18، 1، s
الكتلة الذرية 4.002602غ·مول−1
توزيع إلكتروني 1s2
توزيع الإلكترونات لكل غلاف تكافؤ 2 (صورة)
الخصائص الفيزيائية
الطور غاز
الكثافة (0 °س، 101.325 كيلوباسكال)
0.1786 غ/ل
كثافة السائل عند نقطة الانصهار 0.145 غ·سم−3
نقطة الانصهار (عند 2.5 ميغاباسكال) 0.95 ك، −272.20 °س، −457.96 °ف
نقطة الغليان 4.22 ك، −268.93 °س، −452.07 °ف
النقطة الحرجة 5.19 ك، 0.227 ميغاباسكال
حرارة الانصهار 0.0138 كيلوجول·مول−1
حرارة التبخر 0.0829 كيلوجول·مول−1
السعة الحرارية (25 °س) 20.786 جول·مول−1·كلفن−1
ضغط البخار
ض (باسكال) 1 10 100 1 كيلو 10 كيلو 100 كيلو
عند د.ح. (كلفن)     1.23 1.67 2.48 4.21
الخصائص الذرية
الكهرسلبية لا بيانات (مقياس باولنغ)
طاقات التأين الأول: 2372.3 كيلوجول·مول−1
الثاني: 5250.5 كيلوجول·مول−1
نصف قطر تساهمي 28 بيكومتر
نصف قطر فان دير فالس 140 بيكومتر
خصائص أخرى
البنية البلورية نظام بلوري سداسي مرصوص
المغناطيسية مغناطيسية معاكسة[1]
الناقلية الحرارية 0.1513 واط·متر−1·كلفن−1 (300 كلفن)
سرعة الصوت 972 متر/ثانية
رقم الكاس 7440-59-7
النظائر الأكثر ثباتاً
المقالة الرئيسية: نظائر الهيليوم
النظائر توافر طبيعي عمر النصف نمط الاضمحلال طاقة الاضمحلال (ميغا إلكترون فولت) ناتج الاضمحلال
3He 0.000137%* 3He هو نظير مستقر وله 1 نيوترون
4He 99.999863%* 4He هو نظير مستقر وله 2 نيوترون
*القيم حسب الوفرة في الغلاف الجوي، لكنها يمكن أن تكون غير ذلك خارجه
ع · ن · ت

الهيليوم هو عنصر كيميائي في الجدول الدوري له الرمز الكيميائي He وله العدد الذري 2. في الظروف القياسية من الضغط ودرجة الحرارة فإن الهيليوم عبارة عن غاز عديم اللون والرائحة، غير سام وليس له مذاق. ينتمي الهيليوم إلى الغازات النبيلة لذلك فهو غاز خامل أحادي الذرة، وبسبب خموله الكيميائي لا توجد جزيئات له، فهو يوجد دائما في صورته الذرية. للهيليوم أقل درجة غليان وانصهار مقارنة ببقية العناصر الكيميائية، وهو لا يوجد إلا في الحالة الغازية باستثناء ظروف خاصة جداً.

يعد الهيليوم ثاني أخف العناصر في الكون بعد الهيدروجين كما أنه ثاني أكثر العناصر وفرةً في الكون، حيث يشكل 24% من الكون بالنسبة لكتلة العناصر. بالنسبة لوفرته على الأرض فإن الهيليوم نادر الوجود طبيعياً، حيث يشكل فقط 5.2 جزء من المليون بالنسبة الغلاف الجوي. للهيليوم عدة نظائر لكن أكثر من 99% من الهيليوم على الأرض هو هيليوم-4، والذي تتألف نواته من بروتونين ونيوترونين اثنين.

يوجد غاز الهيليوم في بعض حقول الغاز الطبيعي بنسبة تصل إلى 7% حجماً، حيث يستخرج من هناك بواسطة التقطير التجزيئي. تجدر الإشارة إلى أن مصادر الهيليوم قابلة للنفاد، حيث انه العنصر الوحيد الذي لديه سرعة إفلات، أي أنه عندما يطلق في الغلاف الجوي فإنه يتسرب إلى الفضاء الخارجي.[2][3][4]

يستخدم الهيليوم في تقنيات التبريد العميق، وخاصة لتبريد أجهزة المعناطيس فائق الموصلية المستخدمة في تقنيات التصوير بالرنين المغناطيسي. كما يستفاد من الخواص الخاملة لغاز الهيليوم في استعماله كغاز واقي في اللحام القوسي وفي عمليات تصنيع رقائق السيليكون.

التاريخ[عدل]

الاكتشاف وأصل التسمية[عدل]

بيير جانسين

يعد الهيليوم العنصر الوحيد الذي اكتشف في الكون وذلك على الشمس قبل أن يكتشف على الأرض. حدث ذلك عندما لاحظ الفلكي بيير جانسين وجود خط أصفر لامع في طيف الإصدار للغلاف اللوني للشمس أثناء حادثة كسوف كلّي للشمس في الهند عام 1868.[5] [6] 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.[7] بعد ذلك، استنتج لوكير أن الخط الطيفي هذا سببه عنصر موجود في الشمس وغير موجود على الأرض، فأطلق عليه سوية مع إدوارد فرانكلاند الاسم الإغريقي للشمس ἥλιος هيليوس.[8][9][10]

في عام 1895، استطاع العالم البريطاني وليام رامزي أن يعزل الهيليوم على الأرض، عندما قام بمعالجة معدن كليفيت Cleveite (وهو معدن مشابه لليورانينيت مع وجود حوالي 10% من العناصر الأرضية النادرة) وذلك بأحماض معدنية. توقع رامزي وجود الأرغون، ولكنه بعدما قام بفصل النيتروجين والأكسجين من الغازات المتحررة من أثر حمض الكبريتيك، لاحظ وجود خط أصفر مميز في طيف إصدار المادة المستخرجة، والذي يشبه خط D3 في طيف الشمس، وشخّصت هذه العينات على أنها هيليوم من قبل لوكير والفيزيائي البريطاني وليام كروكس.[7][11][12][13] في تجربة منفصلة قام العالم بير تيودور كليفه مع مساعده أبراهام لانغليت بجمع عينات من غاز الهيليوم من معدن الكليفيت في جامعة أوبسالا في السويد وذلك من أجل تحديد كتلته الذرية.[6][14][15]

وليم رامزي

اكتشافات علمية[عدل]

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 أدى إلى حدوث تفريغ للشحنة والذي سمح بدراسة طيف الغاز في الداخل.[16]

سُيّل الهيليوم لأول مرّة على يد الفيزيائي هايك كامرلينغ أونس عام 1908، وذلك بتبريد الغاز لأقل من درجة كلفن واحدة.[17] حاول أونس الحصول على الحالة الصلبة من الهيليوم بتخفيض درجة الحرارة، لكنه لم يتمكن من ذلك، لأنه لا توجد للهيليوم نقطة ثلاثية يكون عندها توازن بين الحالات الثلاثة للمادة. بالرغم من ذلك، تمكن تلميذ أونس الفيزيائي فليم هندريك كيسوم من تصليب 1 سم3 من الهيليوم بتطبيق ضغط إضافي عند درجات حرارة منخفضة وذلك عام 1926.[18]

في عام 1938، اكتشف الفيزيائي بيوتر كابيتسا أن النظير هيليوم-4 عديم اللزوجة تقريبا في درجات قريبة من الصفر المطلق، وهي الظاهرة التي تعرف اليوم بالميوعة الفائقة.[19] في عام 1972، لوحظت نفس الظاهرة لدى النظير هيليوم-3 وذلك من قبل الفيزيائيين دوغلاس أوشيروف وديفد لي وروبرت ريتشاردسون، وحازوا بذلك جائزة نوبل في الفيزياء عام 1996.[20]

الوفرة الطبيعية[عدل]

الهيليوم ثاني أكثر العناصر انتشارا في الكون المعروف بعد الهيدرجين، ويشكل حوالي ربع كتلة الكون. ووجوده يتركز في النجوم، حيث أنه يتكون هناك من اتحاد ذرات الهيدرجين، وحسب نظرية الانفجار العظيم، تكون أغلب الهيليوم في الدقائق الثلاث الأولى بعد الانفجار (أنظر خط زمني للانفجار العظيم).

أما على الأرض، فإن الهيليوم يشكل جزء واحد من 200 ألف جزء، وذلك يعود بشكل رئيسي إلى تطاير الهيليوم إلى الفضاء الخارجي، وكميات الهيليوم الملموسة الموجودة على الأرض ناتجة عن النشاط الإشعاعي للعناصر المشعة، أما أكبر تركيز له فهو موجودة مع الغاز الطبيعي ومنها يستخرج معظم الهيليوم للاستخدامات التجارية، وتعتبر آبار الغاز في تكساس، و أوكلاهوما وكنساس الأمريكية المصدر الرئيسي لهذا الغاز في العالم.

الإنتاج[عدل]

الاكتشافات العلمية[عدل]

وقد لوحظ أول دليل من الهليوم في 18 أوت1868 كخط أصفر لامع مع ،طول موجة من 587.49 نانومتر في الطيف ،تم الكشف عن الخط الفلكي الفرنسي جول يأنس خلال كسوف كلي للشمس في جون تور، وكان من المفترض في البداية هذا الخط ليكون الصوديوم. يوم 20 أكتوبر من العام نفسه، لاحظ عالم الفلك الإنجليزي نورمان ولكير خط أصفر في الطيف الشمسي التي سماها خط D3 لأنها كانت بالقرب من خطوط معروفة D1 و D2 من الصوديوم في 1882اكتشف عالم الفيزياء الإيطالي لويجي بالمييري الهليوم على الأرض لأول مرة من خلال خط الطيف هو يحلل في بركان فيزرف في 26 مارس 1895 معزولة الاسكتلندي السير وليام رمزي الكيميائي وجود الهليوم على الأرض عن طريق المعالجة المعد نية (مجموعة متنوعة من مع ما لا يقل عن 10 ٪ العناصر الأرضية النادرة) مع الأحماض المعدنية. وكان رمزي يبحث عن الأرجوان ولكن بعد فصل النيتروجين والأكسجين من الغاز ات المحررة من جراء حمض الكبريتيك لاحظ أنه وجدخط أصفر لامع يطابق خط D3 لوحظ في الطيف في أحد العينات [5] [10] [11] [12 ] هذه العينات تم تحديدها من قبل ولكير والفيزيائي البريطاني ويليام كروس. كانت معزولة ومستقلة من clavète في العام نفسه قام الكيميائيين لكل تيودور كليف وL’anglet إبراهيم في أوب سالا الذي جمع ما يكفي من غاز الهليوم لتحديد بدقة وزنه الذري. كما تم عزل [14] من الهليوم أمريكا كيميائي الجيولوجيا وليام فرانسيس هيلبراند قبل اكتشاف رمزي أن الخطوط الطيفية غير عادية أثناء اختبار عينة من uraninite المعدن. عروض رامزي قضية مثيرة للاهتمام واكتشف في مجال العلوم إن جسيمات ألفا هي نواة الهيليوم من خلال السماح للجسيمات باختراق الجدار الزجاجي لاجلاء الانبوب، ثم إنشاء أنبوب التصريف في دراسة للأطياف من جديد للغاز في الداخل في عام 1908 وكان أول الهليوم المسال من طرف الهولندي أونز فيزيائي Hamerling هاتكه بواسطة تبريد الغاز إلى أقل من واحد كلفن [16] وقال إنه حاول ترسيخ ذلك عن طريق الحد من زيادة درجة الحرارة ولكنها فشلت بسبب أن الهليوم لا يملك درجة الحرارة في النقطة الثلاثية للمراحل الصلبة والسائلة والغازية في حالة توازن. في 1938 اكتشف عالم الفيزياء الروسي بيوتر Leonidovich Kapitsa أن الهليوم - 4 يكاد لا يملك أي اللزوجة في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق وهي ظاهرة تسمى الآن ميوعة فائقة وترتبط هذه الظاهرة إلى تكاثف.لوحظ وجود نفس الظاهرة في الهليوم -3، ولكن في درجات الحرارة أقرب إلى الصفر المطلق من قبل الفيزياء الأميركي دوغلاس Osheroff دال ديفيد لي وروبرت ريتشاردسون جيم. ويعتقد أن هذه الظاهرة في الهليوم 3 - يجب أن تكون متصلة المزاوجة بين الفرميونات الهيليو م -3 لجعل البوزونات

Raies spectrales de l'hélium

استخراج واستخدام المياه[عدل]

بعد عملية الحفر للنفط في 1903 في كستر أنتجت كاندساس السخان الغاز الذي لن يحترق في ولاية كنسناس جيولوجي ايراسموس هاوورث جمع عينات من الغاز مع مساعدة من الكيميائيين هاميلتون كادي وديفيد مكفارلاند، اكتشف أنها تتألف من حيث الحجم 72 ٪ النيتروجين وغاز الميثان 15 ٪ (نسبة احتراق فقط مع ما يكفي من الأوكسجين) 1 ٪ هيدروجين و 12 ٪ من الغاز مع مزيد من التحليل اكتشف كادي ومكفارلاند أن 1،84 ٪ من عينة الغاز والهليوم وهذا أظهر أنه على الرغم من ندرته الشاملة على الأرض وتركزالهليوم بكميات كبيرة تحت السهول العظمى الأمريكية والمتاحة لاستخراج منتجا ثانويا من الغاز الطبيعي إن أكبر احتياطيات من الهليوم كانت في حقول الغاز القريبة من جنوب غرب ولاية كاندساس ومكن ذلك أصبحت الولايات المتحدة أكبر مورد في العالم في مجال الهليوم بناءا على اقتراح من ريتشارد ثري لفال رعت الولايات المتحدة البحرية ثلاث محطات صغيرة للهليوم التجريبية خلال الحرب العالمية الأولى والهدف هو تزويد بالونات ابل مع أنها غير قابلة للاشتعال وأخف وزنا من الهواء والغازوقد سبق وأنتجت مجموعهM3 200000 مكعب) من الهليوم 92 ٪ في البرنامج استخدمت بعض من هذا الغاز في العالم للبحرية الأمريكية سي 7. استمر الإنتاج على الرغم من عدم وضعية عملية الاستخراج المناسبة وذلك باستخدام درجات الحرارة المنخفضة في الوقت المناسب لتكون كبيرة خلال الحرب العالمية الأولى. كان يستخدم في المقام الأول للهليوم الغاز زيادة على ذالك استخدام هذا الطلب خلال الحرب العالمية الثانية فضلا عن مطالب لحام قوس محمية تعين على حكومة الولايات المتحدة في عام 1925 بتزويد المناطيد العسكرية في زمن الحرب والمناطيد التجارية في أوقات السلم. [5] وبسبب الحصار العسكري الأمريكي ضد ألمانيا إن إ مدادات الهليوم صارة ت مقيدة اضطرت لاستخدام الهيدروجين ورفع الغاز. وكان الاكتئاب في استخدام الهليوم بعد الحرب العالمية الثانية ولكن تم توسيعه لضمان إمدادات من الهليوم السائل كمبرد لإنشاء الأوكسجين / الهيدروجين وقود الصواريخ) خلال سباق الفضاء. وكان استخدام الهليوم في الولايات المتحدة في عام 1965 أكثر من ثماني مرات في زمن الحرب ذروة الاستهلاك بعد "تعديلات أعمال الهليوم لعام 1960" (القانون العام 86-777)تم حقن خليط هليوم النيتروجين وتخزينها في حقل غاز الجرف لحين الحاجة إليه قد تم جمع مليار متر مكعب من الغازوالبلوغ كان 1.4 مليار دولار من الديون مما دفع الكونغرس في الولايات المتحدة في 1996 للتخلص التدريجي من الاحتياطات الناتجة 1996 " وجهت الولايات المتحدة وزارة الداخلية لبدء تفريغ الاحتياط بحلول عام 2005 إنتاج الهليوم بين عامي 1930 و 1945 بلغ نحو 98،3 ٪ نقية (2 ٪ النيتروجين) والتي كانت كافية للمناطيد. في عام 1945 وأنتجت كمية صغيرة من الهليوم 99،9 ٪ للاستخدام لحام بحلول عام 1949 متاحة لسنوات عديدة تنتج الولايات المتحدة أكثر من 90 ٪ من الهليوم تجاريا صالحة للاستعمال في العالم، في حين استخراج كندا، بولنداو روسيا ووغيرها من الدول المنتجة المتبقية. في منتصف 1990، مصنع جديد في أرزيووالجزائر إنتاج 17 مليون متر مكعب (600 مليون قدم مكعب) وبدأت العملية مع إنتاج ما يكفي لتغطية كل من الطلب في أوروبا. وفي غضون ذلك، بحلول عام 2000 كان استهلاك الهليوم داخل الولايات المتحدة وارتفع إلى أعلى من 15 مليون كيلوغرام سنويا. [32] في الفترة 2004 في -2006 محطتين إضافيتين واحدة في رأس Laffen قطر وأخرى في سكيكدة بالجزائر ولكن اعتبارا من أوائل عام 2007 رأس يعمل بنسبة 50 ٪بسكيكدة بالجزائر وسرعان ما أصبحت ثاني أكبر منتج للهليومخلال هذا الوقت، وزيادة الاستهلاك على حد سواء للهليوم وتكاليف إنتاج الهليوم[34] في أسعار الفترة 2002 حتى 2007وخلال عام 2008 رفعت أسعار نحو 50 ٪.

الخصائص الفيزيائية[عدل]

ذرة الهليوم صورت في شكل نواة وتوزعت سحابة الإلكترونات في نواة الهليوم -4 وهو في واقع الأمر متماثل كرويا وتشبه السحابة الإكترونية على الرغم من وجود نوى أكثر تعقيدا.

Picture of a diffuse gray sphere with grayscale density decreasing from the center. Length scale about 1 Angstrom. An inset outlines the structure of the core, with two red and two blue atoms at the length scale of 1 femtometer.
The helium atom. Depicted are the nucleus (pink) and the electron cloud distribution (black). The nucleus (upper right) in helium-4 is in reality spherically symmetric and closely resembles the electron cloud, although for more complicated nuclei this is not always the case.

حالاته[عدل]

تحت درجة الحرارة والضغط القياسيين، يوجد الهيليوم في الحالة الغازية فقط. وهو لا يتحول إلى الحالة الصلبية إلا تحت ضغوط كبيرة، والذي بتغيره يتغير حجم المادة الصلبة. وفي درجة حرارة دون درجة غليان الهيليوم 4.21 كلفن، وفوق "نقطة لامدا" 2.1768 كلفن، يكون النظير هيليوم-4 في حالة السيولة العادية وتسمى هيليوم I (تنطق هيليوم واحد)، ولكن تحت "نقطة لامدا"، يكون للهيليوم خواص فيزيائية غريبة، ويسمى عندها بهيليوم II (تنطق هيليوم اثنين)، ومثل هذه الخواص الفيزيائية غير واضحة عند النظير هيليوم-3.

هيليوم II[عدل]

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.

الغاز ومراحل البلازما[عدل]

الهليوم هو الغاز الأقل رد فعل بعد النيون وبالتالي رد الفعل الثاني على الأقل من كل العناصر الخاملة وأحادية الذرة في جميع الظروف القياسية. لأن التوصيل الحراري لها أي الحرارة النوعية وسرعة الصوت في المرحلة الغازية كلها أكبر من أي غاز آخر عدا الهيدروجين. لأسباب مماثلة وأيضا بسبب صغر حجم ذرات الهليوم ومعدل الهليوم ونشرها من خلال المواد الصلبة هي ثلاثة أضعاف من الهواء وحوالي 65 ٪ من الهيدروجين. 0.4394، وx2/10-5 0.2372، على التوالي، مقابل الهليوم في 0،70797 x2/10-5، [39])، ومؤشر الهليوم من الانكسار هو أقرب إلى الوحدة من أن أي غازات أخرى. الهليوم [40] لديه سلبية جول طومسون معامل في درجات الحرارة المحيطة العادية، بمعنى أنه عندما يسخن سمح لتوسيع بحرية. فقط تحت درجة حرارة قلب جول طومسون في الغلاف الجوي بارد على توسيع الخطوط. [5] مرة واحدة تحت هذا precooled ويمكن من خلال تبريد الهليوم المسال التوسع. تم العثور على معظم الهليوم خارج الأرض في حالة البلازما، مما أدى إلى الموصلية الكهربائية عالية جدا، حتى عندما يكون الغاز المنأين جزئيا فقط. وتتأثر بشدة والجسيمات المشحونة بواسطة الحقول الكهربائية والمغناطيسية. على سبيل المثال، في الرياح الشمسية مع الهيدروجين المنأين، وتتفاعل مع جزيئات الغلاف المغناطيسي للأرض مما أدى إلى التيارات Birkeland وأوروا في

Illuminated light red gas discharge tubes shaped as letters H and e
Helium discharge tube shaped like the element's atomic symbol

المراحل الصلبة والسائلة[عدل]

الهليوم المسال هو الهليوم السائل، ولكن تم تبريده إلى درجة ميوعة فائقة. قطرة من السائل في الجزء السفلي من الزجاج يمثل الهليوم هروب عفوي من الحاوية على الجانب، لتفريغه من الحاوية. يتم توفير الطاقة اللازمة لدفع هذه العملية من الطاقة الكامنة للهليوم.

Liquefied helium. This helium is not only liquid, but has been cooled to the point of superfluidity. The drop of liquid at the bottom of the glass represents helium spontaneously escaping from the container over the side, to empty out of the container. The energy to drive this process is supplied by the potential energy of the falling helium. See superfluid.

الهيليوم السائل[عدل]

وعلى عكس أي عنصر آخر يظل الهليوم السائل وصولا إلى درجة الصفر المطلق في الضغوط العادية هذا هو التأثير المباشر لميكانيكا الكم على وجه التحديد والطاقة من نقطة الصفر مرتفعة للغاية للسماح بالتجميد للهليوم الصلب؛ يتطلب درجة حرارة -1،5 كلفن (-272 درجة مئوية أو حوالي -457 درجة فهرنهايت) وحوالي 25 بار (2.5 ميغاباسكال) من الضغط. [42] وغالبا ما يكون من الصعب التمييز بين الهليوم الصلب والسائل منذ الانكسار للمرحلتين هي نفسها تقريبا. الصلبة ونقطة انصهار حاد، ولها هيكل بلوري، ممارسة الضغط في المختبر يمكن أن تقلل من حجمه أكثر من 30 ٪ مع معظم معامل بناءوفي أكثر 50 مرة من المياه للانضغاط. نظير الهليوم - 4 موجود في الحالة العادية سائل عديم اللون، مثل السوائل المبردة الأخرى، الهليوم يغلي عندما يسخن والعقود عندما يتم خفض درجة حرارته. الهليوم لديه مؤشر الغاز على غرار الانكسار من 1،026 مما يجعل سطحه صعب جدا أن يطفو من الستايروفوم وغالبا ما تستخدم لإظهاره حيث سطح هذا السائل عديم اللون يحتوي على اللزوجة منخفضة جدا وكثافة 0،145 جم / مل، التي ليست سوى ربع القيمة المتوقعة من الفيزياء الكلاسيكية في ميكانيكا الكم لشرح هذه الخاصية، وبالتالي كلا النوعين من الهليوم السائل تسمى سوائل الكم، بمعنى أنها تعرض خصائص نووية. قد يكون تأثير غليانها يجري على مقربة من الصفر المطلق، ومنع الحركة الجزيئية العشوائية (الطاقة الحرارية) الهليوم السائل أدناه نقطة لامدا لها تبدأ تظهر خصائص غير عادية جدا في حالة تسمى الهليوم الثاني غليان الهليوم الثاني غير ممكن بسبب التوصيل الحراري إدخال الحرارة يؤد إلى تبخر السائل مباشرة إلى غاز. الهليوم - 3 ولكن فقط في درجات حرارة أقل من ذلك بكثيرونتيجة وأقل كما هو معروف عن هذه الممتلكات في النظائر . وعلى عكس السوائل العادية الهليوم زحف على طول الأسطح من أجل الوصول إلى مستوى متساو ي وبعد فترة قصيرة. من أجل الحفاظ على التوازن جزء من الهليوم الفائق وتسرب الهليوم الفائق من ويزيد من الضغط مما تسبب في السائل لنافورة من الحاوية. [47] والتوصيل الحراري الثاني الهليوم هو أكبر من أي مادة أخرى معروفة، مليون مرة من أن الهليوم الأول فالينس من الإلكترونات وعدة مئات المرات التي من النحاس. وذلك لأن التوصيل الحراري يحدث بواسطة آلية الكم استثنائية. الهليوم الثاني لا يوجد لديه مثل هذه الفرقة فلينس لكن مع ذلك يجري بشكل جيد للحرارة. وينظم تد فق الحرارة عن طريق المعادلات التي تشبه معادلة الموجة المستخدمة لوصف انتشار الصوت في الهواء؛ عند عرض الحرارة وهو يتحرك في 20 متر في الثانية الواحدة 1،8 ك من خلال موجات الثاني الهليوم كما في ظاهرة تعرف باسم الصوت الثاني . الهليوم الثاني أيضا معارض لتأثير الزاحف المواد السطحية. ويسمى هذا الفيلم فيلم رولين وسميت على اسم الرجل الذي يتميز أول هذه الصفة، برنار خامسا روبلين. ونتيجة لهذا السلوك الزاحف وللهليوم قدرة على تسرب بسرعة من خلال فتحات صغيرة فمن الصعب جدا حصر الهليوم السائل. ما لم يتم بعناية الحاوية، والثاني الهليوم زحف على السطوح ومن خلال الصمامات حتى تصل إلى أكثر دفئا في مكان ما، حيث أنها سوف تتبخر. تخضع موجات نشر عبر فيلم روبلين من المعادلة نفس موجات الجاذبية في المياه ولكن بدلا من الجاذبية والقوة هي قوة استعادة فان دير فال. وتعرف هذه الأمواج كصوت الثالث.

الخصائص الكيميائية[عدل]

تفاعله[عدل]

الهيليوم عنصر خامل كيميائيا تحت كل الظروف العادية. ولكن تحت ظروف كهربائية معينة يمكن للهيليوم أن يكون مركبات مع التنجستن، واليود، والفلورايد والكبريت والفوسفور.

الهليوم لديه التكافؤ صفر ويتفاعل كيميائيا تحت كل الظروف العادية. [43] كما هو الحال مع الغازات النبيلة الأخرى، والهليوم ومستويات الطاقة متبدل الاستقرار التي تسمح بالبقاء في المتأين والتفريغ الكهربائي مع الجهد دون جهد التأين لها. يمكن أن يتفاعل مع ا لتنجستن اليودوالفور والكبريت والفسفور عندما تعرض على المركبات الغير المستقر وقد تم وضع الهليوم داخل جزيئات الكربون قفص جوفاء (في الفوليرينات) عن طريق التسخين تحت ضغط عال. جزيئات الفوليرين endohedral شكلت مستقرة تصل إلى درجات حرارة عالية. عندما تتشكل هذه المشتقات الكيميائية الفوليرينات، ويبقى داخل الهليوم يستخدم [63] إذا الهليوم -3 لوحظ بسهولة الهليوم الطيفي بالرنين المغناطيسي. تم الإبلاغ عن [64] الفوليرينات كثيرة تحتوي على الهليوم - 3. على الرغم من عدم تعلق ذرات الهيليوم بواسطة روابط تساهمية أو أيونية وهذه المواد لها خصائص مميزة وتكون واضحة، على غرار جميع المركبات الكيميائية الهيليوم هو العنصر الثاني الأكثر وفرة في الكون المعروف (بعد الهيدروجين)، وتشكل 23 ٪ من كتلتها العظمى baryonique.الهليوم بواسطة عملية الاصطناع النووي الانفجار الكبير 1-3 بعد دقائق من الانفجار الكبير. على هذا النحو وقياسات الوفرة سيساهم في النماذج الكونية وفي النجوم وتشكيلها من قبل الاندماج النووي للهيدروجين في سلسلة من ردود الفعل البروتون ودورة المخدرات التشيكوسلوفاكي وهي جزء من عملية الاصطناع النووي ممتاز. [52]

النظائر[عدل]

هناك 8 نظائر معروفة للهيليوم، ولكن النظيرين هيليوم-3 وهيليوم-4 هما الوحيدين المستقرين، فالبقية لها نشاط إشعاعي، وتتحول بسرعة إلى عناصر أخرى. أكثر النظائر انتشارا هو هيليوم-4 ، وهو يتكون من جسيم ألفا في نواته الذرية، ويدور حولها 2 إلكترون في الغلاف الذري، وجسيم الألفا هو أكثر الجسيمات استقرارا، أما النظير هيليوم-3 فهو نادر على الأرض وهو ينتج من التريتيوم بعد إشعاعه لإلكترون خلال تحلل بيتا.

هناك ثمانية من النظائر المعروفة للهليوم ومنها الهليوم 3 - والهليوم – 4 المستقرة في الغلاف الجوي للأرض لمعظم العناصر والنظائر تختلف اختلافا كبيرا حسب المنشأ وذلك بسبب عمليات تشكيل مختلفة ويتم إنتاج النظائر الأكثر شيوعامثل الهليوم - 4 على الأرض عن طريق اضمحلال ألفا من العناصر المشعة لأثقل وجسيمات ألفا التي تظهر في الهليوم المتأين ،نواة الهليوم - 4 هي نواة مستقرة على نحو غير عادي وتشكلت أيضا في كميات هائلة خلال عملية الاصطناع النووي الانفجار الكبير. الهليوم - 3 موجود على الأرض فقط في كميات ضئيلة وأكثر من ذلك منذ تشكل الأرض وتنتج أيضا [53] كميات ضئيلة من الاضمحلال بيتا من الغلاف الجوي التريتيوم [54]و الصخور والقشرة الأرضية لديهم نسب النظائر المختلفة أقصر عمرا النظائر الثقيلة الهليوم - 5 وله عمر نصف 7،6 الهليوم - 6 يضمحل عن طريق إصدار جسيم بيتا وحياة نصف 0،8 ثانية. الهليوم - 7 تنبعث أيضا جسيمات بيتا وكذلك أشعة غاما. يتم إنشاء الهليوم - 7 و 8 في بعض التفاعلات النووية

الاستخدامات[عدل]

تتركز أسباب تطبيقات استخدام الهيليوم دون غيره في بعض المجالات إلى كونه غازا خاملا لا يتفاعل بسهولة إضافة إلى عوامل أخرى.

  • يستخدم الهيليوم للمناطيد الضخمة والبالونات، لأنه أخف من الهواء فهو ثاني أخف غاز موجود، كما أنه لا يحترق أو ينفجر مما يجعل منه خيارا مناسبا لمثل هذا التطبيق.
  • صوت الإنسان الذي استنشق هواء فيه تركيز ملموس من الهيليوم، يصبح عالي الدرجة (من النعومة والجهارة، فيسمع كان فيه شيء من التزمير)، وذلك يعود إلى أن سرعة الصوت في الهيليوم أكبر بثلاث مرات من سرعته في الهواء العادي، مما يؤدي إلى زيادة تردده عند وصول موجات الصوت إلى الهواء العادي، ولكن التعرض لاستنشاق تركيزات عالية من الهيليوم قد تودي بالحياة بسبب نقص الأكسجين.
  • يستخدم خليط الهيليوم مع الأوكسجين والنيتروجين لملء قوارير هواء تنفس الغواصين في الأعماق الكبيرة لأنه يساعد في منع التسمم الأكسجيني والاستبدال النيترجيني (دخول النيتروجين إلى الدم بدل الأكسجين الأمر الذي يؤثر على عمل الأعصاب ويعطي تأثيرا شبيها بالسُكر) تحت ضغوط الأعماق الكبيرة.
  • يستخدم الهيليوم في بيئات تنمية البلورات الدقيقة في الظروف الحساسة لأنه لا يتفاعل ولا يؤثر في تركبها.
The Good Year Blimp
Because of its low density and incombustibility, helium is the gas of choice to fill airships such as the Goodyear blimp.

الهليوم في ميكانيكا الكم[عدل]

الهليوم هو ذرة بسيطة تتحلل باستخدام قواعد ميكانيكا الكم وهذا بعد ذرة الهيدروجين. الإلكترونات في المدارات الذرية المحيطة بالنواة تحتوي على اثنين من البروتونات على طول مع بعض النيوترونات. كما هو الحال في ميكانيكا نيوتن لا يمكن حل أي نظام يتألف من أكثر من عقدين من جسيمات ذات النهج التحليلي الدقيق الرياضي والهليوم ليس استثناء. وبالتالي يتعين على الطرق الرياضية العددية في حل في نظام واحد اثنين من النواة ذات الالكترونات. وقد استخد مت هذه الأساليب في الكيمياء الحسابية لخلق صورة الكم الميكانيكية من الإلكترون في الهليوم;و في خطوات قليلة الحاسوبية. [36] وفي مثل هذه النماذج وجدت أن كل إلكترون في الهليوم له شاشات جزئية في النواة هذا من جهة حيث يرى كل إلكترون بحوالي 1،69 وحدة.

استقرار ذات نواة الهليوم - 4[عدل]

نواة ذرة الهليوم - 4 مطابقة مع جسيمات ألفا، تجارب الطاقة العالية للإكترونات ادت إلى إظهار شحنتها إلى الانخفاض بشكل كبير كحد أقصى في نقطة مركزية تماما كما يفعل المسئول عن كثافة سحابة الهليوم والإلكترون الخاصة. هذهالتماثل تعكس الفيزياء الأساسية المماثلة : زوج من النيوترونات وزوج من البروتونات في نواة الهليوم ونفس القواعد الميكانيكية كما يفعل زوج الهليوم من الإلكترونات (على الرغم من الجسيمات النووية تخضع لإمكانات مختلفة ملزمة النووية) بحيث أن كل هذه الفرميونات احتلت في كامل لأزواج. على سبيل المثال طاقة الاستقرار وانخفاض الإلكترون سحابة في حسابات الهليوم (الأكثر تطرفا من جميع العناصر)، وأيضا عدم وجود تفاعل ذرات الهليوم مع بعضها البعض ينتج أقل ذوبان وغليان في نقاط جميع العناصر. استقرارو حيوية خاصة في نواة الهليوم - 4 التي تنتج عنها آثار مماثلة وحسابات لسهولة إنتاج الهليوم -4 في التفاعلات النووية التي تنطوي على حد سواء انبعاث الجسيمات الثقيلة. ويتم إنتاج بعض العناصر المستقرة مثل الهليوم - 3 في اندماجات الهيدروجين وهو جزء صغير جدا مقارنة مع الهليوم-4 واستقرار الهليوم-4 يؤدي إلى تحويل الهيدروجين وأيضا مسؤولة عن حقيقة أن للجسيمات ألفا إلى حد بعيد يمكن إخراجه النوع الأكثر شيوعا من الكتلة. وهذا ما يفسر حقيقة أن في الدقائق القليلة الأولى بعد الانفجار الكبير باسم "شوربة" من البروتونات والنيوترونات الحرة التي أنشئت في البداية في حوالي 6:01، نسبة تبريد لدرجة أن النوية ملزمة وكلها تقريبا نواة مجمع الذرية الأولى على شكل الهليوم- 4 للإنتاج تستهلك كلها تقريبا من النيوترونات الحرة في بضع دقائق قبل أن يتمكنوا من بيتا الاضمحلال وترك أيضا بعض لتشكيل ذرات أثقل مثل الليثيوم والبريليوم أو البورون لتكون أقوى مما كانت عليه في أي من هذه نيوكلون والكربون. ولكن نظرا لعدم وجود عناصر وسيطة وهذه العملية تتطلب نواة الهليوم ثلاثة ضرب بعضهم البعض في وقت واحد تقريبا. وهكذا كان في بضع دقائق بعد الانفجار الكبير وذلك قبل بداية الكون توسيع تبريده إلى درجة حرارة وضغط حيث نقطة انصهار الهليوم إلى الكربون لم يعد ممكنا. بقي هذا الكون في وقت مبكر مع نسبة مشابهة جدا من الهيدروجين / الهليوم كما نلاحظه اليوم (3 أجزاء الهيدروجين إلى هليوم - 4 مع النيوترونات تقريبا كل شيء في الكون المحاصر في الهليوم-4. وكان بذلك جمع عناصر أثقل (بما في ذلك تلك اللازمة لكواكب صخرية مثل الأرض، في النجوم التي كانت ساخنة بما يكفي لصهر الهيدروجين ليس فقط (لهذا تنتج فقط مزيد من الهليوم) جميع العناصر الأخرى من حساب الهيدروجين والهليوم فقط 2 ٪ من كتلة المسألة النووية في الكون. الهليوم - 4 على النقيض من ذلك تشكل نحو 23 ٪ من الكونالمسألة مسألة عادية.

المراجع[عدل]

  1. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  2. ^ Connor، Steve (2010-08-23). "Why the world is running out of helium – Science – News". London: The Independent. اطلع عليه بتاريخ 2013-09-16. 
  3. ^ Posted by Ethan on December 12, 2012 (2012-12-12). "Why the World Will Run Out of Helium – Starts With A Bang". Scienceblogs.com. اطلع عليه بتاريخ 2013-09-16. 
  4. ^ Witchalls, Clint (18 August 2010) Nobel prizewinner: We are running out of helium. New Scientist.(subscription required)
  5. ^ Kochhar, R. K. (1991). "French astronomers in India during the 17th – 19th centuries". Journal of the British Astronomical Association 101 (2): 95–100. Bibcode:1991JBAA..101...95K. 
  6. ^ أ ب Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. صفحات 175–179. ISBN 0-19-850341-5. 
  7. ^ أ ب Clifford A. Hampel (1968). The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York: Van Nostrand Reinhold. صفحات 256–268. ISBN 0-442-15598-0. 
  8. ^ "Helium". Oxford English Dictionary. 2008. اطلع عليه بتاريخ 2008-07-20. 
  9. ^ Thomson, W. (1872). Frankland and Lockyer find the yellow prominences to give a very decided bright line not far from D, but hitherto not identified with any terrestrial flame. It seems to indicate a new substance, which they propose to call Helium. Rep. Brit. Assoc. xcix. 
  10. ^ Thomson, William (August 3, 1871). "Inaugural Address of Sir William Thompson". Nature 4 (92): 261–278 [268]. Bibcode:1871Natur...4..261.. doi:10.1038/004261a0. 
  11. ^ Ramsay, William (1895). "On a Gas Showing the Spectrum of Helium, the Reputed Cause of D3، One of the Lines in the Coronal Spectrum. Preliminary Note". Proceedings of the Royal Society of London 58 (347–352): 65–67. doi:10.1098/rspl.1895.0006. 
  12. ^ Ramsay, William (1895). "Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part I". Proceedings of the Royal Society of London 58 (347–352): 80–89. doi:10.1098/rspl.1895.0010. 
  13. ^ Ramsay, William (1895). "Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part II--". Proceedings of the Royal Society of London 59 (1): 325–330. doi:10.1098/rspl.1895.0097. 
  14. ^ Langlet, N. A. (1895). "Das Atomgewicht des Heliums". Zeitschrift für anorganische Chemie (باللغة German) 10 (1): 289–292. doi:10.1002/zaac.18950100130. 
  15. ^ Weaver, E.R. (1919). "Bibliography of Helium Literature". Industrial & Engineering Chemistry. 
  16. ^ van Delft, Dirk (2008). "Little cup of Helium, big Science" (PDF). Physics today: 36–42. تمت أرشفته من الأصل على June 25, 2008. اطلع عليه بتاريخ 2008-07-20. 
  17. ^ van Delft, Dirk (2008). "Little cup of Helium, big Science" (PDF). Physics Today 61 (3): 36–42. Bibcode:2008PhT....61c..36V. doi:10.1063/1.2897948. تمت أرشفته من الأصل على June 25, 2008. اطلع عليه بتاريخ 2008-07-20. 
  18. ^ "Coldest Cold". Time Inc. 1929-06-10. اطلع عليه بتاريخ 2008-07-27. 
  19. ^ Kapitza, P. (1938). "Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point". Nature 141 (3558): 74. doi:10.1038/141074a0. 
  20. ^ Osheroff, D. D.; Richardson, R. C.; Lee, D. M. (1972). "Evidence for a New Phase of Solid He3". Phys. Rev. Lett. 28 (14): 885–888. Bibcode:1972PhRvL..28..885O. doi:10.1103/PhysRevLett.28.885.