گاز هلیوم

گاز هلیوم

همه افراد هلیوم را از بادکنک‌های هلیومی می‌شناسند. درصد بیشتری از جامعه ما این گاز را فقط در عرصه بادکنک آرائی می شناسند، اما آیا در واقعیت هم این چنینی است؟

برای اینکه بدانید هلیوم چیست؟ مایع است یا گاز؟ چگونه کشف و تولید شده است؟ و از همه مهم تر چه کاربردهایی دارد. بهتر است با پترو تامین آرشام که یکی از تامین کننده‌ها و حمل‌کننده‌های گازهای صنعتی است همراه باشید؛ زیرا قصد دارد در این مقاله شما را با دنیای جدیدی از  این گاز آشنا کند. به شما قول می‌دهیم که با دنیای شگفت انگیز از هلیوم آشنا شوید. خواهید دید این ماده، دنیایی به رنگارنگی  بادکنک های تولدتان دارد.

گاز هلیوم چیست؟

هلیوم گازی تک اتمی است علاوه بر اینکه بی رنگ، بی بو، بی مزه و بی اثر بوده غیر سمی نیز است. این گاز جزو اولین گازهای نجیب در جدول تناوبی قرار دارد. این گاز بعد هیدروژن دومین عنصر سبکی است که  در جهان فراوان یافت می‌شود و نقطه جوش و ذوب آن در بین همه عناصر پایین‌ترین است.

این گاز تنها عنصری است که با خنک سازی کافی در فشار عادی جو، نمی‌تواند جامد شود. برای اینکه این عنصر را به حالت جامد در بیاورند بهتر است فشار 20 اتمسفر را در دمای 1 کیلوگرم اعمال کنند.

از تاریخچه هلیوم چه می دانید؟

این گاز برای اولین بار به عنوان یک خط طیف زرد در خسوف خورشیدی در سال 1868 توسط ستاره شناس فرانسوی پیر یانسن کشف شد. اوایل فکر می‌کردند که این خط زرد نشانه عنصرسدیم است. ستاره شناسی انگیلیسی به نام جوزف نورمن لاکر با بررسی بیشتر این طیف زرد در همان سال که کشف شد به این نتیجه رسید که با خطوط شناخته شده D1  و D2 سدیم مطابقت ندارد. بنابراین آن را خط D3 نام گذاری کرد.

ستاره شناس انگلیسی متوجه شد که طیف D3 ناشی از عنصری در خورشید است که در زمین شناخته شده نیست. نورمن لاکر وشیمیدانی به نام ادوارد فراکلند نام یونانی helions  برای این عنصر انتخاب کردند.

بعد ها در سال 1895 عنصر هلیوم توسط شیمیدان انگلیسی سر ویلیام رامسی در زمین کشف شد. او نمونه ای از معدن حاوی کلوییت اورانیوم را بدست آورد. گازی که با حرارت دادن این نمونه تولید شد را مورد بررسی قرار داد و به این نتیجه رسید که یک خط زرد روشن و منحصر به فرد در آن وجود دارد که با طیف D3 در خورشید مطابقت دارد.

بنابراین با این مطابقت، عنصر جدید هلیوم به طور قطعی مشخص شد. بعد ها در سال 1903 رامسی و فردریک متوجه شدند که این گاز محصول تجزیه خود به خودی مواد رادیو اکتیو است.

چگونه استخراج شد؟

در  سال 1903 پس از عملیات حفاری نفت در دکستر، کانزاس یک آب فشان گازی تولید کرد که نمی‌سوخت. هاورث زمین شناس این ایالت از گازهای خروجی نمونه برداری کرد و آن‌ها به دانشگاه برد. بعد از بررسی با دیگر شیمیدان‌ها  کشف کرد که این گاز شامل 72% نیتروژن، 15% متان، 1% هیدروژن و 12% یک گاز ناشناخته است.

تجزیه و تحلیل بیشتری روی این گاز ناشناخته انجام دادند که در نتیجه دریافتند که 1.84% نمونه ای از گاز هلیوم است. به این نتیجه رسیدند که هلیوم در مقادیر زیادی در زیر دشت‌های بزرگ متمرکز شده است.

در مکانیک کوانتمی چگونه عمل می کند؟

از نظر مکانیک کوانتمی، هلیوم دومین اتم ساده بعد هیدروژن است. این گاز دو الکترون در مدارهای احاطه کننده هسته دارد که از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. در مکانیک نیوتنی نمی‌توان سیستمی که با دو ذره تشکیل شده باشد را به یک روش ریاضی تحلیلی و دقیق حل کرد. هلیوم نیز از این قاعده مستثنی نیست.

بنابراین، برای حل سیستم یک هسته و دو الکترون روش ریاضی عددی مورد نیاز است. به همین دلیل برای ایجاد یک تصویر مکانیکی کوانتمی از اتصال الکترون این گاز از روش های شیمی محاسباتی استفاده می شود.

میزان واکنش پذیری گاز هلیوم چگونه است؟

این گاز پس از نئون دومین گاز نجیب کم واکنش محسوب می‌شود و دومین عنصری است که از بین همه عناصر کمترین واکنش پذیری را دارد. این عنصر تک اتمی بی اثر بوده و در تمام شرایط استاندارد است. هلیوم به دلیل جرم مولکولی (اتمی) نسبتا کمی که دارد از رسانایی حرارتی، گرمای خاص و سرعت صدا در فاز گاز از همه عناصر به جز هیدروژن بیشتر است.

هلیوم نسبت به گازهای دیگر به سختی در آب حل می‌شود و یکی از کم محلول ترن عنصر ها در آب است. هلیوم ضریب منفی ژول _ تامسون را در دمای معمولی محیط دارد. ضریب منفی هلیوم به این معنی است که به صورت آزاده و انبساط گرم است، ولی فقط در دمای وارونگی ژول _ تامسون با انبساط آزاد خنک می‌شود. پس سرد شدن زیر  این دما هلیوم به حالت مایع در می‌آید.

هلیوم در حالت مایع چگونه است؟

بر خلاف هر عنصر دیگری هلیوم در فشار عادی و تا صفر مطلق مایع باقی می‌ماند. این تاثیر مستقیم مکانیک کوانتومی است. انرژی نقطه صفر سیستم به طور خاصی بسیار زیاد است به همین دلیل اجازه انجماد نمی دهد.

تشخیص هلیوم جامد از مایه دشوار است؛ زیرا ضریب شکست هر دو فاز بسیار یکسان است. هلیوم جامد ساختاری بلوری و نقطه ذوب بالایی دارد، اما بسیار فشرده می‌شود. اعمال فشار در آزمایشگاه می‌تواند حجم آن را بیش از 30 درصد کاهش دهد. هلیوم مایع علاوه بر مایع بودن تا حد سیالیت سرد شده است.

چرا هلیوم در جهان به فراوانی یافت می شود؟

حدود 23 درصد از جرم جهان را این گاز تشکیل می دهد. بنابراین در فراوانی پس از هیدروژن در کیهان در رتبه دوم قرار دارد. این گاز در ستارگان متمرکز است. جایی که از هیدروژن با همجوشی هسته ای سنتز می شود. البته این گاز در اتمسفر زمین فقط به میزان 1 قسمت در 200000 که 0.0005 درصد وجود دارد، ولی مقادیر کمی از آن در مواد معدنی رادیو اکتیو، آهن شهابی و چشمه های معدنی وجود دارد. هوای معمولی حدود 5 قسمت در میلیون هلیوم دارد و پوسته زمین فقط حدود 8 قسمت در میلیارد است.

ایزوتوپ‌ها

اتم هسته این گاز شامل دو پرتون است، اما ایزوتوپ‌های هلیوم مانند همه عناصر وجود دارد. ایزوتوپ‌ها شناخته شده هلیوم حاوی 1 تا 6 نوترون هستند، به همین دلیل تعداد جرم آن ها از 3 تا 8 متغیر است. از این 6 ایزوتوپ فقط آنهایی که جرم سه هلیوم و 4 هلیوم دارند، پایدار هستند. بقیه ایزوتوپ‌ها رادیواکتیو هستند و با مواد دیگر به سرعت تجزیه می شوند.

گاز هلیومی که در زمین وجود دارد جزو ایزوتوپ‌های اولیه نیست و توسط پوسیدگی رادیو اکتیو تولید شده است. ذرات آلفا که از هسته‌های مواد رادیو اکتیو بیرون می ریزد، هسته ایزوتوپ هلیوم _ 4 هستند. این گاز در جو به مقدار زیاد تجمع نمی‌یابد زیرا گرانش زمین قدرت نگهداری این عنصر را ندارد و نمی‌تواند جو فرار شدن آن به فضا را بگیرد.

هلیوم چگونه تولید می شود؟

گاز هلیوم با مایع سازی دیگر اجزا در دمای پایین و تحت فشارهای زیاد از گاز طبیعی جدا می‌شود. با جذب گازهای دیگر و جدا سازی نا خالصی ها 99.995 درصد هلیوم خاص تولید می‌شود. مقداری از هلیوم نیز از مایع سازی هوا به دست می آید. از 1000 تن هوا در حدود 112 فوت مکعب هلیوم به دست می‌آید که در دمای اتاق و تحت فشارهای جوی اندازه گیری می‌شود.

آیا می‌دانید هلیوم که در صنعت استفاده می‌شود از کجا می‌آید؟

این گاز در زمینه های گازی مختلف به طور طبیعی وجود دارد. این گاز به عنوان محصولی جانبی در طول استخراج و تصفیه گازهای طبیعی بازیابی می‌شود. مقدار هلیوم گاز طبیعی اگر بیش از 0.3 درصد باشد، استخراج آن مقرون به صرفه خواهد بود. تنها 14 واحد تولید این گاز تصفه شده در جهان وجود دارد. ایالات متحده و قطر و الجزایر بشترین واحد تولید هلیوم دارند و استرالیا و روسیه و لهستان هم هر کدام تنها یک واحد تولید دارند.

کاربرد گاز هلیوم درصنعت چیست؟

این گاز به دلیل خواص منحصر به فرد مانند: اینرسی، نقطه جوش کم، هدایت حرارتی بالا، سبکی، اندازه و غیره در بسیار از صنایع کاربرد دارد. در برخی موارد نیز جایگزین آن غیر ممکن است. این صنایع عبارتند از :

مراقبت‌های بهداشتی

همه ما با تصویر برداری پزشکی MRI برای تشخیص آسیب‌های متعدد استفاده می‌شود آشنایی داریم.  از هلیوم  برای تضمین ابررسانایی آهنرباها در واحدهای  MRI استفاده می شود. اگر فناوری‌هایی وجود داشته باشد که مصرف این گاز توسط این دستگاه‌ها را کاهش دهد،

تولید فیبر نوری

هلیوم در مرحله اول تولید الیاف نوری که یک پیش ماده برای تشکیل فیبر است، در فرایند تولید پریفرم استفاده می شود. در فرایند کشش پریفرم از هلیوم برای خنک کردن موثر و بدست آوردن فیبر نوری استفاده می‌شود. در این صنعت نیز وجود گاز هلیوم اجباری است و جایگزینی برای آن تا به امروز نبوده است.

صنعت فضایی

در هنگام پرتاب ماهواره‌های فضایی برای پاکسازی و تحت فشار قرار دادن مخازن سوخت برخی پرتابگرها از این گاز استفاده می شود. و تعویض این گاز با گازی دیگر در بخش تحت فشار امکان پذیر نیست و وجود این گاز در این صنعت نیز ضروری است.

تولید دستگاه های الکترونیکی

در صنایع الکترونیکی برای تولید صفحه‌ های تخت و ایجاد یک فضای محافظ بی اثر از هلیوم استفاده می شود. بدون وجود این گاز این زمینه کاری از بین خواهد رفت.

تحقیق بنیادی

این گاز به دلیل نقطه جوش کمی که دارد برای تحقیقات در مورد همجوشی هسته‌ای و برای شتاب‌دهنده‌های ذرات استفاده می‌شود. امروزه این گاز تنها ترکیبی است که می‌تواند به دمای مورد نیاز که نزدیک به صفر مطلق است، برسد.

سخن آخر

در این مقاله ویژگی های گاز هلیوم را بیان کردیم و با بررسی بیشتر متوجه شدید که این گاز نه تنها برای بادکردن بادکنک‌ها کارایی دارد بلکه در بسیار از کاربردهای حیاتی و غیر منتظره صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. هلیوم به دلیل عدم تعادل بین عرضه و تقاضا منبع مهمی است. این عنصر برای کاربردهای صنعتی بسیار مهم است. اگر شما نیز برای کاربرد صنعتی خود به این گاز مهم نیاز دارید، پترو تامین آرشام به شما کمک می کند برای کسب اطلاعات با کارشناسان ما تماس بگیرید.

منابع:

• https://www.alcimed.com/en/alcim-articles/helium-the-5-unexpected-industrial-applications-of-this-resource/
• https://www.britannica.com/science/helium-chemical-element
• https://en.wikipedia.org/wiki/Helium