الخواص الفيزيائية والكيميائية لعنصر الهيليوم Helium

تعريف الهيليوم Helium

الهيليوم Helium هو فرد من عائلة الغازات النبيلة والتي يطلق عليها أيضًا الغازات الخاملة، والخمول يعني أن العنصر ليس نشطًا للغاية. فهي لا تتفاعل مع العناصر أو المركبات الأخرى.

يعتبر الهيليوم العنصر الثاني الأكثر وفرة في الكون بعد الهيدروجين وهو ثاني أبسط العناصر الكيميائية أيضاً بعد الهيدروجين حيث تتكون ذراته من اثنين من البروتونات، اثنين من النيوترونات، واثنين من الإلكترونات بينما تحتوي ذرة الهيدروجين على بروتون واحد وإلكترون واحد ولا نيوترونات.

اكتشاف الهيليوم

اكتُشف الهيليوم Helium لأول مرة عام 1868 على يد الفلكي الفرنسي بيير يانسن Pierre Janssen  1824-1907، حيث قام بدراسة الضوء الصادر عن الشمس أثناء الكسوف و وجد دليلاً على وجود عنصر جديد في الشمس وسمي عنصر بالهيليوم.

الرمز	العدد الذري	الكتلة الذرية	العائلة
He	2	4.002602	المجموعة 18 (VIIIA) الغازات النبيلة

يمتلك الهليوم بعض الخصائص الفيزيائية المثيرة وغير العادية فعلى سبيل المثال، عند درجات الحرارة المنخفضة للغاية يمكن أن يصبح عالي الميوعة. تمتلك المواد شديدة الميوعة سلوك غريب جدًا حيث يمكن أن تتدفق نحو الأعلى إلى خارج مكان التخزين متحدية بذلك قوى الجاذبية. كما يمكن أن تدخل في فتحات مسامية صغيرة جدًا من المفترض أنها قادرة على منعها من التسرب .

مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1996 لثلاثة أميركيين اكتشفوا خاصية الميوعة، و هم  ديفيد لي David M. Lee 1931، دوجلاس أوشروف Douglas D. Osheroff  1945، وروبرت ريتشاردسون  Robert C. Richardson 1937.

يدخل الهيليوم في عدد كبير وغير متوقع من التطبيقات بالنسبة لغاز خامل! حيث يتم استخدامه في الأبحاث عند درجات حرارة منخفضة، لملء البالونات والمناطيد، ضبط الضغط في وقود الصواريخ، وفي عمليات اللحام، وفي أنظمة الكشف عن الرصاص، وفي الإشارات الضوئية (نيون)، ولحماية الأجسام من التفاعل مع الأكسجين.

يمكنك الأطلاع أيضًا على: ما هو التوازن الكيميائي Chemical Equilibrium

تسمية غاز الهيليوم Helium

يعتبر مقياس الطيف أحد أقوى الأدوات لدراسة العناصر الكيميائية وهو عبارة عن جهاز لدراسة الضوء الناتج عن جسم ساخن، على سبيل المثال، تحترق قطعة من معدن الصوديوم على شكل لهب أصفر ويبدو هذا اللهب مختلفًا تمامًا عند النظر إليه من خلال المنظار الطيفي. يحتوي مقياس الطيف على قطعة مثلثة من الزجاج (تسمى المنشور) تقسم الضوء إلى أجزائه الأساسية. تتكون هذه الأجزاء الأساسية من سلسلة من الخطوط الملونة. في حالة الصوديوم، يتم تقسيم الضوء الأصفر إلى سلسلة من الخطوط الصفراء. تسمى هذه الخطوط طيف العنصر ولكل عنصر طيفه الخاص الذي يميزه. يوفر الطيف للعلماء طريقة جديدة لدراسة العناصر حيث يمكنهم تحديد عنصر ما من خلال التعرف على الخطوط الطيفية المميزة له حتى عندما لا يستطيعون رؤية هذا العنصر .

علاقة كسوف الشمس باكتشاف الهيليوم Helium

هذا المبدأ أدى إلى اكتشاف الهيليوم Helium  ففي عام 1868، زار يانسن الهند من أجل مراقبة كسوف الشمس بالكامل.

يحدث الكسوف الشمسي عندما يأتي القمر بين الشمس والأرض فيحجب القمر تقريبًا كل الضوء الصادر عن الشمس وكل ما يبقى هو دائرة خارجية رقيقة (إكليل) من أشعة الشمس حول القمر المظلم. يوفر الكسوف الشمسي للعلماء فرصة غير عادية لدراسة الشمس.

فحص يانسن ضوء الشمس باستخدام المطياف فعندما نظر إلى الخطوط الطيفية، فوجئ برؤية بعض الخطوط التي لا يمكن تتبعها لأي عنصر معروف. وانتهى به الأمر إلى أنه يجب أن يكون هناك عنصر على الشمس لم يسبق له مثيل على الأرض. لاحقًا تم اقتراح اسم الهليوم لهذا العنصر وهو اسم يأتي من الكلمة اليونانية Helios  هيليوس “الشمس”.

اكتشف عالم الفلك الفرنسي بيير يانسن الهيليوم بعد دراسة الشمس خلال الكسوف الكامل

لم يعرف الكيميائيون  كيفية التعامل مع اكتشاف يانسن. هل كان هناك عنصر على الشمس لم يكن موجودًا على الأرض؟ هل ارتكب خطأ؟ حتى أن بعض العلماء سخروا منه.

 بحث الكيميائيون، خلال الثلاثين عامًا التالية، عن الهيليوم على الأرض. ثم في عام 1895، وجد الفيزيائي الإنجليزي السير وليام رامزي Sir William Ramsay 1852-1916 الهيليوم في معدن عنصر اليورانيوم>

ويعزى الفضل في اكتشاف الهيليوم على الأرض في بعض الأحيان إلى عالمين آخرين أيضًا هما السويديان  بير تيودور كليف Per Teodor Cleve 1840-1905 ونيلز أبراهام لانغلِت Nils Abraham Langlet، حيث اكتشفاه في نفس الوقت تقريبًا في معادن تُدعى الكليفيت  cleveite.

لم يعرف رامزي لماذا وُجِد الهيليوم في خام اليورانيوم، لكن بعد بضع سنوات أصبح الأمر واضحًا فاليورانيوم عنصر مشع والعنصر المشع هو العنصر الذي ينفصل تلقائيًا ويطلق الإشعاع والتغيرات في عنصر جديد.

 إرنست رذرفورد Ernest Rutherford ورحلة اكتشاف الهيليوم

إرنست رذرفورد Ernest Rutherford | فيزيائي إنجليزي

“هذه آخر حبة بطاطا سأحفر لأجلها على الإطلاق !”

يُنسب هذا التصريح إلى الشاب إرنست رذرفورد ذو الأصول النيوزيلندية، تقدم رذرفورد بطلب للحصول على منحة دراسية من جامعة كامبريدج، إحدى جامعات إنجلترا الأكثر شهرة.

وجاء اسم رذرفورد في المركز الثاني لتلك المنحة، لكن صاحب المركز الأول قرر البقاء في نيوزيلندا والزواج.

 وعندما قيل لرذرفورد إنه فاز بالمنحة الدراسية، ألقى شوكة الحفر وأعلن انتهاء أيام حفر البطاطا.

يمكنك الأطلاع أيضًا على: ما هو تعريف وخصائص العناصر الانتقالية

واصل رذرفورد أبحاثه ليصبح واحداً من الشخصيات العلمية العظيمة في القرن العشرين، فقد قام بعدد من الاكتشافات المهمة حول تركيب الذرات والنشاط الإشعاعي.

على سبيل المثال:-

وجد أن الذرة تتكون من جزئين متميزين، النواة والإلكترونات.

• اكتشف أيضًا شكلاً من أشكال الإشعاع الناتج عن المواد المشعة: جسيمات ألفا ووجد أن جزيئات ألفا هي ببساطة ذرات الهيليوم Helium بدون إلكتروناتها.
• كان رذرفورد أيضًا أول عالم يغير عنصرًا إلى آخر.

وأنجز ذلك عن طريق إطلاق جزيئات ألفا  على غاز النيتروجين ولاحظ أن الأكسجين قد تشكل في هذه التجربة. لقد اكتشف طريقة لتحويل عنصر واحد (النيتروجين) إلى عنصر مختلف (الأكسجين).

وأصبحت تلك الطريقة لاحقًا إجراءً قياسيًا يستخدمه العديد من العلماء الآخرين. أحد أشكال الإشعاعات التي ينتجها اليورانيوم يتكون من جسيمات ألفا وهي عبارة عن جسيمات صغيرة تتحرك بمعدلات عالية جدًا من السرعة.

•  أظهر الفيزيائي الإنجليزي إرنست رذرفورد (1871-1937)، في عام 1907، أنّ جسيم ألفا ليس أكثر من ذرة الهيليوم بدون إلكتروناتها.

فعندما تفككت ذرات اليورانيوم، أعطت جزيئات ألفا (ذرات الهيليوم). هذا هو السبب في العثور على الهيليوم لأول مرة على الأرض في خامات اليورانيوم.

الخواص الفيزيائية لغاز الهيليوم Helium

• الهيليوم هو غاز عديم اللون والطعم والرائحة.

يمتلك عدد من الخصائص غير العادية. فعلى سبيل المثال:-

• درجة غليانه أقل من أي عنصر آخر.

  -268.9 درجة مئوية (-452.0 درجة فهرنهايت)، في حين تكون درجة التجمد للهيليوم هي: -272.2 درجة مئوية (-458.0 درجة فهرنهايت).

•  يعد الهيليوم Helium الغاز الوحيد الذي لا يمكن تحويله إلى مادة صلبة.

ببساطة عن طريق خفض درجة حرارته فمن الضروري أيضًا زيادة الضغط على الغاز لجعله صلبًا.

• يخضع الهليوم عند درجة حرارة حوالي -271 درجة مئوية لتغير غير عادي حيث يبقى سائلاً.

ولكن بخصائص غريبة، والميوعة هي واحدة من تلك الخصائص. وبسبب شدة اختلاف أشكال الهيليوم تم إعطائها أسماء مختلفة. فعلى سبيل المثال، عندما تكون درجة الحرارة أعلى من -271 درجة مئوية، يسمى الهيليوم السائل بالهيليوم الأول وعندما تكون أقل من  تلك الدرجة يسمى الهليوم الثاني.

الخواص الكيميائية:

الهيليوم غاز خامل تماماً  يصنف من الغازات النبيلة، لا يشكل مركبات ولا يتفاعل مع أي عنصر آخر.

وجوده في الطبيعية:

الهيليوم ثاني أكثر العناصر وفرة في الكون والنظام الشمسي بعد الهيدروجين. تعد حوالي 11.3% من الذرات في الكون عبارة عن ذرات هيليوم، وبالمقارنة، حوالي 88.6 % من الذرات في الكون هي ذرات هيدروجين وعلى هذا المنوال، حوالي 99.9% من الذرات في هذا الكون هي إما هيدروجين أو هيليوم. 

وعلى عكس ذلك الهيليوم يعتبر أقل وفرة على كوكب الأرض حيث يعتبر الغاز السادس الأكثر وفرة في الغلاف الجوي بعد النيتروجين والأوكسجين والأرغون وثنائي أكسيد الكربون والنيون.

حيث يشكل حوالي 0.000524% من الهواء. ربما من المستحيل تقدير كمية الهيليوم في قشرة الأرض حيث ينتج الغاز عندما يتفكك اليورانيوم والعناصر المشعة الأخرى لكنه غالبًا ما يصعد إلى الغلاف الجوي بشكل مباشر.

النظائر:

يوجد نظيران من الهيليوم بشكل طبيعي هما الهيليوم-3 والهيليوم-4، النظائر عبارة عن شكلين أو أكثر لعنصر ما وتختلف النظائر عن بعضها البعض وفقًا لعدد كتلتها. حيث يمثل الرقم الذي يكتب على يمين اسم العنصر رقم الكتلة ويعبر عن عدد البروتونات بالإضافة إلى النيوترونات في نواة ذرة العنصر. عدد البروتونات يحدد العنصر، أما عدد النيوترونات فيمكن أن يختلف وكل اختلاف في عدد النيوترونات يعبر عن نظير لهذا العنصر .

تم تحضير ثلاثة نظائر مشعة للهيليوم، والنظير المشع هو النظير الذي ينفصل مطلقًا بضعة أشكال من الإشعاع. حيث يتم إنتاج النظائر المشعة عندما يتم إطلاق جسيمات صغيرة جدًا نحو الذرات فتلتصق هذه الجسميات على الذرة وتجعلها مشعة.

لا يوجد أي تطبيق تجاري لنظائر الهيليوم المشعة.

الاستخلاص:

• يمكن الحصول على الهيليوم من الهواء السائل.

الهواء السائل هو الهواء الذي تم تبريده إلى درجة حرارة منخفضة جداً، فعند إسالة الهواء تتم إسالة جميع الغازات الموجودة فيه وإذا تم السماح للهواء السائل بالتبخر فيكون آخر غاز متبقٍ بعد تبخر جميع الغازات الأخرى هو الهيليوم.

ولكن تبقى هذه العملية غير جديرة بالاهتمام بسبب قلة كمية الهيليوم المستخلص.

• الغاز الطبيعي.

هناك مصدر أفضل بكثير لاستخلاص الهيليوم فغالبًا ما يتواجد الهيليوم مع الغاز الطبيعي في الحقول العميقة تحت سطح الأرض ،وعندما يتم حفر الآبار لجمع الغاز الطبيعي، يخرج الهيليوم إلى السطح مع الغاز الطبيعي.

ثم يمكن فصله عن الغاز الطبيعي بسهولة شديدة حيث يتم تخفيض درجة حرارة الخليط فيسيل الغاز الطبيعي ويؤخذ بعيدًا ويبقى الهيليوم الغازي وراءه، حوالي 80% من الإنتاج العالمي للهيليوم موجود في الولايات المتحدة الأمريكية، في عام 1996، أنتجت حوالي 20 محطة أمريكية الهيليوم من آبار الغاز الطبيعي،ويأتي حوالي 86% من الهليوم الأمريكي من خمس مناطق كبيرة تحت الأرض: حقل هوغوتون الذي يقع أسفل كنساس وأوكلاهوما وتكساس، حقل كييس في أوكلاهوما، حقول بانهاندل وكليفسايد في تكساس، ومنطقة ريدلي ريدج في وايومنغ.

الاستخدامات:

• أهم استخدامات الهيليوم في الولايات المتحدة هو في أنظمة التبريد ذات درجات الحرارة المنخفضة.

وذلك لأنّ الهليوم السائل عند درجة حرارة -270  يكون بارد لدرجة كافية لتبريد أي شيء آخر. 

على سبيل المثال 

• يتم استخدامه في الأجهزة فائقة التوصيل.

المواد فائقة التوصيل هي مادة ليس لها مقاومة لتدفق الكهرباء، بمجرد أن يبدأ التيار الكهربائي بالتدفق في المادة سوف يستمر في التدفق إلى الأبد.

حيث لا تضيع الطاقة في نقل الكهرباء من مكان إلى آخر. قد تؤدي المواد فائقة التوصيل إلى إحداث ثورة في الأنظمة الكهربائية في جميع أنحاء العالم يومًا ما. تكمن المشكلة في أن التوصيل الفائق يحدث فقط في درجات الحرارة المنخفضة للغاية وهناك طريقة واحدة لتحقيق تلك الشروط ويتم ذلك مع الهيليوم السائل.

•  يستخدام الهيليوم في أنظمة الضغط .

ففي العديد من العمليات الصناعية، من الضروري ضبط الضغط على النظام وأسهل طريقة لذلك هي ضخ الغاز في النظام. على أن يكون غازًا خاملًا لا يتفاعل مع مواد أخرى في النظام، وفي هذه الحالة يكون الهيليوم هو الخيار الأمثل.

• يستخدم الهيليوم Helium  أيضًا في التطهير، وهي عملية جرف كل الغازات في حاوية.

و يتم استخدامه لأنه لا يتفاعل مع أي شيء في الحاوية.

• وكونه غاز غير نشط، يستخدم الهيليوم في أنظمة اللحام.

وهي العملية التي يتم فيها تسخين المعادن إلى درجات حرارة عالية لضمها إلى بعضها البعض و نادراً ما يعمل اللحام بشكل جيد في جو من الهواء “العادي” وذلك لأنه عند درجات الحرارة العالية قد تتفاعل المعادن مع الأكسجين لتكوين أكاسيد معدنية، وبالتالي تصبح أقل عرضة للالتحام ببعضها البعض. لكن إذا تم اللحام في جو من الهيليوم لن يكون هناك مشكلة فالمعادن لن تتفاعل مع الهيليوم وبالتالي ستتم عملية اللحام ببساطة.

• يستخدم الهيليوم أيضًا في أنظمة كشف التسرب.

فإذا اشتبه في حدوث تسرب في أنبوب طويل، يمكن استخدام الهيليوم للبحث عن مكان التسرب، حيث يتم ضخه في إحدى فتحات الأنبوب ويوضع كاشف خارج الأنبوب مصمم لقياس ما إذا كان هناك تسريب للهيليوم من النظام.

  يتم تحريك الكاشف على طول الأنبوب وبالتالي يمكن تحديد ما إذا كان هناك تسريب، وموقعه، ومقدار التسرب، ويعد الهيليوم غازاً جيداً لاستخدامه في هذا الغرض كونه لا يتفاعل مع أي شيء داخل الأنبوب.

• يستخدم الهيليوم لملء البالونات وغيرها من الطائرات الأخف من الهواء.

مثل المناطيد، فالهيليوم لا يستطيع رفع المناطيد بنفس القوة التي يرفعهم بها الهيدروجين لكن الهيدروجين قابل للاشتعال على عكس الهيليوم.

في وقت من الأوقات، ظن الناس أن هذه المناطيد يمكن أن تكون وسيلة نقل شعبية لكن هذا لم يحدث ذلك أبدًا، ولا تزال تستخدم لأغراض محدودة، مثل الإعلان في الأحداث الرياضية والترفيهية الكبرى.

مركباته:

لم تتم صناعة أيّ مركب من الهيليوم أبداً.

الآثار الصحية:

لا يوجد أي خطر معروف ناتج عن التعرض لغاز الهيليوم Helium.

المصدر:

Titanium, Chemical Element. Chemistry Explained. Retrieved August 11, 2019, from http://www.chemistryexplained.com/elements/C-K/Helium.html